Materiais inteligentes imitam capacidade biológica de autorregulação

Com informações da Universidade de Harvard - 23/07/2012

Esquema de funcionamento dos materiais inteligentes autotermorreguladores. Observe a diferença entre os dois estados do mesmo material nos quadros da parte inferior.
[Imagem: Joanna Aizenberg Lab]

Materiais autorreguladores

Os organismos vivos desenvolveram meios sofisticados para manter a estabilidade em ambientes constantemente em mutação, suportando flutuações de temperatura, pH e pressão, além da presença ou ausência de moléculas cruciais para sua sobrevivência.

Poucos materiais sintéticos - os chamados materiais inteligentes - conseguem imitar algumas dessas características.

Mas um material artificial que consiga de fato regular a si mesmo é um sonho longamente acalentado pelos cientistas.

Um sonho que parece estar se tornando realidade, graças ao trabalho de uma equipe de engenheiros das universidades de Harvard e Pittsburgh, nos Estados Unidos.

Partindo de uma tecnologia de imitação da natureza, desenvolvida por eles mesmos em 2009, os pesquisadores agora descobriram uma estratégia que permite a construção de nanomateriais "auto-termo-reguladores".

Implantes médicos e edifícios vivos

A técnica permite, por exemplo, manter um determinado pH, pressão, ou qualquer outro parâmetro desejado, reagindo às alterações ambientais com uma resposta química compensatória.

Ximin He e Joanna Aizenberg batizaram seus materiais inteligentes bioinspirados de SMARTS (Self-regulated Mechano-chemical Adaptively Reconfigurable Tunable System) - sistema mecano-químico autorregulado adaptativamente reconfigurável e ajustável, em tradução livre.

Esses novos materiais abrem a possibilidade de controlar reações químicas de forma autônoma, reproduzindo o tipo de feedback dinâmico encontrado nos sistemas biológicos.

Eles representam um avanço importante rumo a implantes médicos mais inteligentes e mais eficientes, e até mesmo de edifícios "vivos", que poderiam reagir às variações do tempo para uma obter uma maior eficiência energética.

Os pesquisadores também esperam que sua plataforma seja usada em áreas como a robótica, a computação e a saúde.

O sistema bicamada cria uma chave liga-desliga autorregulada, controlada pelo movimento dos pêlos.
[Imagem: He et al./Nature]

Homeostase

Estruturalmente, os SMARTS se parecem com uma escova de dentes microscópica, com cerdas que podem levantar-se ou deitar-se, estabelecendo e interrompendo contato com uma camada contendo nutrientes químicos.

"Pense nos arrepios que se formam em sua pele," explica a Dra. Aizenberg. "Quando está frio, os músculos na base de cada pêlo em seu braço fazem com que eles fiquem de pé, criando uma camada isolante. Quando sua pele se aquece, os músculos se contraem e os pêlos se deitam, evitando que você superaqueça."

Materiais naturais, como a pele, são incrivelmente dinâmicos e podem manter o controle em uma ampla gama de ambientes através de uma autorregulação. Por outro lado, os materiais sintéticos não conseguem replicar facilmente essa homeostase - a tendência à estabilidade interna do material.

Com poucas exceções, mesmo os materiais "mais inteligentes" geralmente só reagem a um estímulo ambiental específico, e não se auto-regulam.

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"Ao construir loops de feedback dinâmicos nos SMARTS de baixo para cima, fomos capazes de integrar as funcionalidades reguladoras no próprio material," disse Ximin He, referindo à construção dos materiais partindo do nível molecular.

"Seja o nível de pH, temperatura, umidade, pressão, ou qualquer outra coisa, os SMARTS podem ser projetados para sentir diretamente e modular o estímulo desejado sem usar energia externa ou máquinas complexas, dando-nos uma plataforma robusta que é customizável, reversível e incrivelmente precisa."

O sistema pode ser projetado de forma a reagir a diferentes estímulos, sempre "consultando" a camada de nutrientes para estabelecer sua autorregulação.
[Imagem: Ximin He and Lauren Zarzar,]

Termorregulação

Para demonstrar a inteligência dinâmica dos seus materiais, os pesquisadores escolheram a temperatura como estímulo a reagir, e incorporaram um conjunto de nanofibras minúsculas, semelhante a pequenos pêlos, em uma camada de hidrogel.

O hidrogel, semelhante a um músculo, pode inchar ou contrair em resposta a alterações na temperatura.

Quando a temperatura cai, o gel sobe e as nanofibras se eriçam, fazendo contato com a camada de "nutrientes"; quando esquenta, o gel se contrai e os nanopêlos deitam-se.

O aspecto essencial é que os catalisadores moleculares colocados sobre as pontas das nanofibras podem desencadear reações químicas geradoras de calor na camada de "nutrientes".

"O sistema bicamada efetivamente cria uma chave liga-desliga autorregulada, controlada pelo movimento dos pêlos, acionando a reação e gerando calor quando está frio. Quando a temperatura atinge um nível pré-determinado, o hidrogel se contrai, fazendo com que os pêlos se deitem, interrompendo a geração de calor. Quando esfria novamente abaixo do ponto de corte, o ciclo reinicia-se novamente, de forma autônoma. É a homeostase ao nível dos materiais," resume Aizenberg.

Propulsão

Além de poderem ser integrados em materiais para implantes médicos, para ajudar a estabilizar as funções corporais, os materiais homeostáticos poderão ser usados para a propulsão, como os cílios em um organismo vivo.

"Em princípio, você pode transformar qualquer coisa - calor, pressão, luz - em um sinal químico dentro do gel. Da mesma forma, as reações desencadeadas pelo movimento dos pêlos podem produzir muitos tipos diferentes de respostas compensatórias. Equivalendo sinais e respostas, podemos, em princípio, criar uma grande variedade de loops de feedback autorregulados," conclui He.

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