Polímeros em forma de anel solidificam-se em vidro, oferecendo potencial de materials sustentável

Quando uma aranha está tecendo sua teia, sua seda começa como líquida e rapidamente se transforma em um sólido que é, quilo por quilo, mais resistente que o aço. Eles conseguem criar estes materiais impressionantes à temperatura ambiente com polímeros biodegradáveis ​​e ecológicos. Os cientistas de materiais da Carnegie Mellon estão estudando esses processos para compreender melhor as maneiras como os sistemas biológicos manipulam os polímeros e como podemos emprestar suas técnicas para melhorar o processamento industrial de plástico.

Uma qualidade única dos polímeros é que as suas moléculas podem ter diferentes formas ou “arquiteturas”, e estas formas podem ter um grande impacto na sua propriedades dos materiais e reciclabilidade. As cadeias de polímeros podem formar cadeias moleculares, redes semelhantes a malhas ou até mesmo anéis fechados.

Uma nova descoberta sobre como os polímeros em forma de anel se comportam oferece o potencial para permitir novas formas para os cientistas de polímeros projetarem materiais mais sustentáveis. Uma equipe de pesquisadores da Carnegie Mellon, Sandia Nationwide Laboratories e da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign (UIUC) conduziu a maior simulação até o momento neste tipo de polímero e confirmou as previsões teóricas, descobrindo que os polímeros em anel se solidificam espontaneamente em vidro. quando suas cadeias se tornam suficientemente longas.

O estudo, publicado em Anais da Academia Nacional de Ciênciasmostra como a mudança da forma dos polímeros de cordas abertas para anéis fechados altera completamente a forma como as moléculas se empacotam e se difundem dentro do materials. Os pesquisadores descobriram que à medida que os polímeros em anel se tornam mais longos, as cadeias separadas ficam cada vez mais comprimidas até que as cadeias não possam se mover, fazendo com que o materials se solidifique. O simples ato de mudar a forma das moléculas de cordas abertas para anéis fechados também mudou a fase plástica de líquida para sólida.

“Normalmente temos que resfriar a temperatura de uma amostra para solidificar o plástico derretido, mas descobrimos que simplesmente mudar a forma das moléculas em anéis faz com que elas diminuam a velocidade e vitrifiquem em vidro”, disse Thomas O’Connor, professor assistente de ciência dos materiais. e engenharia na Carnegie Mellon.

O’Connor e o estudante de doutorado em ciência e engenharia de materiais, Songyue Liu, executaram projetos em grande escala simulações de dinâmica molecular por mais de um ano em supercomputadores do Departamento de Energia para testar as previsões teóricas desenvolvidas por seus colegas da UIUC. As simulações foram baseadas em pesquisas anteriores da equipe, nas quais eles sintetizaram experimentalmente um materials polimérico reciclável feito de polímeros de anel puros que vitrificaram inesperadamente em laboratório. Estes novos resultados teóricos explicam este comportamento surpreendente e ajudarão a orientar o projeto de polímeros cíclicos recicláveis.

A pesquisa também tem implicações para o comportamento de sistemas de biopolímeros, como proteínas dobradas e os cromossomos que agrupam e armazenam nosso DNA. Esses sistemas biológicos adotam estruturas em espiral semelhantes aos polímeros em anel que a equipe explorou.

“Compreender como as estruturas poliméricas curvas se aglomeram e se dobram é esclarecedor para ciência dos materiaismas também é importante para entender por que os sistemas vivos usam essas estruturas para permitir funções biológicas“, diz O’Connor. “Há potencial para traçarmos paralelos entre essas disciplinas para fazer novas descobertas.”