Novo material é forte como aço e leve como plástico

Redação do Site Inovação Tecnológica - 03/02/2022

Amostra do polímero que cresce na forma de folhas, com múltiplas aplicações.
[Imagem: Christine Daniloff/MIT]

Plástico forte como aço

Usando um novo processo de polimerização, engenheiros químicos criaram um novo material que é mais forte do que o aço, mesmo sendo tão leve quanto o plástico, além de poder ser fabricado em escala industrial.

O novo material é um polímero que se automonta em folhas (bidimensionais), ao contrário de todos os outros polímeros, que formam cadeias semelhantes a espaguete (unidimensionais). Até agora, os cientistas acreditavam que era impossível induzir polímeros a formar folhas 2D.

Esse material pode ser usado como revestimento, de peças de automóveis a telefones celulares, ou como material de construção para pontes ou outras estruturas.

"Geralmente não pensamos em plástico como algo que você poderia usar para suportar um edifício, mas, com esse material, você pode possibilitar coisas novas. Ele tem propriedades muito incomuns e estamos muito animados com isso," disse o professor Michael Strano, do MIT.

As medições indicam que o módulo de elasticidade do polímero - uma medida de quanta força é necessária para deformar um material - é algo entre quatro e seis vezes maior do que a elasticidade dos materiais usados para fabricar coletes à prova de balas. Já seu limite de escoamento - quanta força é necessária para quebrar o material - é o dobro do aço, embora o material tenha apenas cerca de um sexto da densidade do aço.

Os pesquisadores já registraram duas patentes sobre o processo que usaram para produzir o polímero, que pretendem levar à comercialização rapidamente.

Amostras e micrografias do novo material.
[Imagem: Yuwen Zeng et al. - 10.1038/s41586-021-04296-3]

Polímero que forma folhas

Os polímeros, uma classe que inclui todos os plásticos, consistem em cadeias de blocos básicos chamados monômeros. Essas cadeias crescem adicionando novas moléculas em suas extremidades. Uma vez formados, os polímeros podem ser moldados em objetos tridimensionais usando moldagem por injeção.

Os cientistas tentam há muito tempo fazer os polímeros crescerem na forma de folhas, em vez de correntes, na expectativa de formar materiais extremamente fortes e leves. No entanto, depois de muitas décadas de trabalho neste campo, havia quase um consenso de que era impossível criar polímeros bidimensionais. Uma razão para isso é que, se apenas um monômero girar para cima ou para baixo, fora do plano da folha em crescimento, o material começará a se expandir em três dimensões, e a estrutura em forma de folha não se formará.

O pesquisador Yuwen Zeng, porém, desenvolveu o processo de polimerização que lhe permitiu gerar uma folha bidimensional de poliaramida, a classe de polímero à qual pertence o conhecido Kevlar. Como monômero, ele usou um composto chamado melamina, o mesmo que recobre os painéis de MDF, que contém um anel de átomos de carbono e nitrogênio.

Sob as condições certas, os monômeros cresceram em duas dimensões, formando discos. E esses discos se empilharam uns sobre os outros, mantidos juntos por ligações de hidrogênio entre as camadas, o que torna a estrutura muito estável e forte. Não é exatamente uma folha bidimensional, mas funciona exatamente como tal, com a vantagem de não deixar passar gases, o que abre novos campos de aplicação.

"Em vez de construir uma molécula semelhante a espaguete, podemos fazer um plano molecular semelhante a uma folha, onde fazemos com que as moléculas se conectem em duas dimensões," disse Strano. "Esse mecanismo acontece espontaneamente em solução e, depois de sintetizarmos o material, podemos facilmente fabricar filmes finos por espalhamento rotativo que são extraordinariamente fortes."

Essa automontagem em solução significa que o polímero pode ser produzido em grandes quantidades simplesmente aumentando a quantidade dos materiais de partida, permitindo levar o processo para escala industrial.

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