Material ultraforte é feito com moléculas travadas mecanicamente

Redação do Site Inovação Tecnológica - 20/01/2025

Monômeros em formato de X foram interligados para criar o primeiro polímero 2D mecanicamente interligado. Semelhante à cota de malha, o material apresenta resistência excepcional.
[Imagem: Mark Seniw/Center for Regenerative Nanomedicine/Northwestern University]

Material 2D mecânico

Pesquisadores desenvolveram o primeiro material bidimensional (2D) mecanicamente interligado, ou seja, suas moléculas são unidas por "travas" mecânicas, e não por ligações químicas.

Isso promete fazer a diferença em peças estruturais para veículos, blindagens e coletes à prova de balas leves e de alto desempenho, além de outros usos que exigem materiais leves, flexíveis e resistentes.

O material em nanoescala apresenta flexibilidade e resistência excepcionais, com suas moléculas se interligando de modo semelhante aos elos de uma cota de malha, aquelas armaduras medievais feita de pequenos anéis de metal ligados entre si.

Isto representa uma série de "primeiras vezes" para o campo dos materiais 2D e dos materiais estruturais. Não apenas é o primeiro polímero 2D mecanicamente interligado, mas o novo material também contém 100 trilhões de ligações mecânicas por centímetro quadrado - a maior densidade de ligações mecânicas já alcançada. E é a primeira realização prática desse tipo de um conceito que valeu o Prêmio Nobel aos seus idealizadores.

Os pesquisadores produziram este material usando um novo processo de polimerização altamente eficiente e que não possui impeditivos óbvios para ele seja reproduzido em larga escala, facilitando passagem da fabricação do material do laboratório para a indústria.

"Fizemos uma estrutura de polímero completamente nova," disse William Dichtel, da Universidade Northwestern (EUA). "Ela é semelhante à cota de malha, já que não pode rasgar facilmente porque cada uma das ligações mecânicas tem um pouco de liberdade para deslizar. Se você puxá-la, ela pode dissipar a força aplicada em várias direções. E se você quiser rasgá-la, terá que quebrá-la em muitos, muitos lugares diferentes. Continuamos a explorar suas propriedades e provavelmente a estudaremos por anos."

Outra visão da estrutura 2D molecularmente intertravada.
[Imagem: Madison I. Bardot/Ditchtel Lab/Northwestern]

Ligações mecânicas entre moléculas

Pesquisadores tentam há anos desenvolver moléculas mecanicamente interligadas com polímeros, mas descobriram que é quase impossível induzir polímeros a formar ligações mecânicas.

Para superar esse desafio, a pesquisadora Madison Bardot teve a ideia de uma abordagem totalmente nova: Ela começou com monômeros em formato de X - monômeros são os blocos de construção dos polímeros - e os organizou em uma estrutura cristalina específica e altamente ordenada. Esses cristais foram então postos para reagir quimicamente com outra molécula, para criar ligações entre as moléculas dentro do cristal.

Os cristais resultantes compreendem camadas e camadas de folhas 2D de polímero interligadas. Dentro das folhas de polímero, as extremidades dos monômeros em forma de X são ligadas às extremidades de outros monômeros em forma de X. Então, mais monômeros são enfiados através das lacunas entre eles. Apesar de sua estrutura rígida, o polímero é surpreendentemente flexível.

Outra novidade é que dissolver o polímero em solução faz com que as camadas de monômeros interligadas se desprendam umas das outras. "Depois que o polímero é formado, não há muita coisa mantendo a estrutura unida," detalhou Dichtel. "Então, quando o colocamos em solvente, o cristal se dissolve, mas cada camada 2D se mantém unida. Podemos manipular essas folhas individualmente."

Outro resultado promissor é que o novo material pode ser produzido em grandes quantidades. Polímeros anteriores contendo ligações mecânicas normalmente foram preparados em quantidades muito pequenas usando métodos que não são escaláveis. Neste caso, contudo, mesmo usando apenas seus equipamentos de laboratório, a equipe produziu meio quilo do novo material, que modo que grandes quantidades são possíveis à medida que suas aplicações mais promissoras surgirem.

Um elevador molecular, um dos conceitos de nanomáquina que levaram ao Nobel de Química de 2016.
[Imagem: Johan Jarnestad/Royal Swedish Academy of Sciences]

Realização de um Nobel

Os pesquisadores dedicaram seu trabalho à memória do professor Fraser Stoddart, que introduziu o conceito de ligações mecânicas na década de 1980.

Stoddart projetou essas ligações em máquinas moleculares que alternam, giram, contraem e expandem de maneiras controláveis. Isso lhe valeu o Nobel de Química por essa nanotecnologia das máquinas moleculares. Stoddart faleceu no mês passado.

"As moléculas não se enroscam umas nas outras por conta própria, então Fraser [Stoddart] desenvolveu maneiras engenhosas de modelar estruturas interligadas," disse Dichtel. "Mas mesmo esses métodos não foram práticos o suficiente para serem usados em moléculas grandes como polímeros. Em nosso trabalho atual, as moléculas são mantidas firmemente no lugar em um cristal, que modela a formação de uma ligação mecânica ao redor de cada uma."

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