Cientistas criaram um plástico equivalente ao aço — forte, mas não pesado. Os plásticos, que os químicos às vezes chamam de polímeros, são uma classe de moléculas de cadeia longa compostas de unidades curtas repetidas chamadas monômeros. Ao contrário de polímeros anteriores com a mesma resistência, o novo material vem apenas na forma de membrana. Ele também é 50 vezes mais hermético do que o plástico mais impermeável do mercado. Outro aspecto notável deste polímero é sua simplicidade de síntese. O processo, que ocorre em temperatura ambiente, requer apenas materiais baratos, e o polímero pode ser produzido em massa em grandes folhas com apenas nanômetros de espessura. Os pesquisadores relatam suas descobertas em 2 de fevereiro no periódico Nature.
O material em questão é chamado de poliamida, uma rede filamentosa de unidades moleculares de amida (amidas são grupos químicos de nitrogênio ligados a átomos de carbono ligados ao oxigênio). Esses polímeros incluem Kevlar, uma fibra usada para fazer coletes à prova de balas, e Nomex, um tecido resistente ao fogo. Assim como o Kevlar, as moléculas de poliamida no novo material são ligadas umas às outras por ligações de hidrogênio ao longo de todo o comprimento de suas cadeias, o que aumenta a resistência geral do material.
"Eles grudam como velcro", disse o autor principal Michael Strano, engenheiro químico do MIT. Rasgar materiais requer não apenas quebrar cadeias moleculares individuais, mas também superar as gigantes ligações de hidrogênio intermoleculares que permeiam todo o conjunto do polímero.
Além disso, os novos polímeros podem formar flocos automaticamente. Isso torna o material fácil de processar, pois ele pode ser transformado em filmes finos ou usado como um revestimento de superfície de filme fino. Os polímeros tradicionais tendem a crescer como cadeias lineares ou ramificar-se e ligar-se repetidamente em três dimensões, independentemente da orientação. Mas os polímeros da Strano crescem de uma maneira única em 2D para formar nanofolhas.
"É possível agregar em um pedaço de papel? Acontece que, na maioria dos casos, não é possível fazer isso até que o nosso trabalho seja concluído", disse Strano. "Então, encontramos um novo mecanismo." Neste trabalho recente, sua equipe superou um obstáculo para tornar essa agregação bidimensional possível.
A razão pela qual as poliaramidas têm uma estrutura plana é que a síntese do polímero envolve um mecanismo chamado modelagem autocatalítica: à medida que o polímero se alonga e adere aos blocos de construção do monômero, a crescente rede do polímero induz os monômeros subsequentes a se combinarem apenas na direção correta para fortalecer a união da estrutura bidimensional. Os pesquisadores demonstraram que poderiam facilmente revestir o polímero em solução em wafers para criar laminados de uma polegada de largura com menos de 4 nanômetros de espessura. Isso é quase um milionésimo da espessura do papel de escritório comum.
Para quantificar as propriedades mecânicas do material polimérico, os pesquisadores mediram a força necessária para fazer furos em uma folha suspensa de material com uma agulha fina. Essa poliamida é de fato mais rígida do que polímeros tradicionais como o náilon, o tecido usado para fazer paraquedas. Notavelmente, é necessária o dobro de força para desenroscar essa poliamida superforte do que o aço da mesma espessura. De acordo com Strano, a substância pode ser usada como um revestimento protetor em superfícies metálicas, como vernizes de automóveis, ou como um filtro para purificar água. Nesta última função, a membrana de filtro ideal precisa ser fina, mas forte o suficiente para suportar altas pressões sem vazar pequenos contaminantes incômodos em nosso suprimento final - uma combinação perfeita para esse material de poliamida.
No futuro, Strano espera estender o método de polimerização para diferentes polímeros além deste análogo de Kevlar. "Os polímeros estão ao nosso redor", disse ele. "Eles fazem tudo." Imagine transformar muitos tipos diferentes de polímeros, até mesmo os exóticos que podem conduzir eletricidade ou luz, em filmes finos que podem cobrir uma variedade de superfícies, ele acrescenta. "Por causa desse novo mecanismo, talvez outros tipos de polímeros possam ser usados agora", disse Stano.
Em um mundo cercado por plásticos, a sociedade tem motivos para estar entusiasmada com outro novo polímero cujas propriedades mecânicas são tudo menos comuns, disse Strano. Esta aramida é extremamente durável, o que significa que podemos substituir plásticos do dia a dia, de tintas a sacolas e embalagens de alimentos, por materiais em menor quantidade e mais resistentes. Strano acrescentou que, do ponto de vista da sustentabilidade, este polímero 2D superforte é um passo na direção certa para livrar o mundo do plástico.
Shi En Kim (como é normalmente chamada de Kim) é uma escritora científica freelancer nascida na Malásia e estagiária editorial da Popular Science Primavera 2022. Ela escreveu extensivamente sobre tópicos que vão desde os usos peculiares de teias de aranha — humanos ou as próprias aranhas — até coletores de lixo no espaço sideral.
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Data de publicação: 19 de maio de 2022