Em um feito notável da química, uma equipe de pesquisa liderada pela Northwestern College desenvolveu o primeiro materials bidimensional (2D) interligado mecanicamente.
Assemelhando-se aos elos interligados da cota de malha, o materials em nanoescala exibe flexibilidade e resistência excepcionais. Com mais trabalho, ele é promissor para uso em coletes à prova de balas leves e de alto desempenho e outros usos que exigem materiais leves, flexíveis e resistentes.
Publicação na sexta-feira (17 de janeiro) na revista Ciênciao estudo marca várias inovações na área. Não é apenas o primeiro polímero 2D intertravado mecanicamente, mas o novo materials também contém 100 trilhões de ligações mecânicas por 1 centímetro quadrado – a maior densidade de ligações mecânicas já alcançada. Os pesquisadores produziram este materials usando um processo de polimerização novo, altamente eficiente e escalonável.
“Fizemos uma estrutura polimérica completamente nova”, disse William Dichtel, da Northwestern, autor correspondente do estudo. “É semelhante à cota de malha, pois 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, você teria que quebrá-lo em muitos lugares diferentes. Continuamos explorando suas propriedades e provavelmente o estudaremos por anos.”
Dichtel é Professor de Química Robert L. Letsinger no Weinberg Faculty of Arts and Sciences e membro do Instituto Internacional de Nanotecnologia (IIN) e do Instituto Paula M. Trienens de Sustentabilidade e Energia. Madison Bardot, Ph.D. candidato no laboratório da Dichtel e IIN Ryan Fellow, é o primeiro autor do estudo.
Inventando um novo processo
Durante anos, os pesquisadores tentaram desenvolver moléculas mecanicamente interligadas com polímeros, mas descobriram que period quase impossível persuadir os polímeros a formar ligações mecânicas.
Para superar este desafio, a equipe da Dichtel adotou uma abordagem totalmente nova. Eles começaram com monômeros em forma de X – que são os blocos de construção dos polímeros – e os organizaram em uma estrutura cristalina específica e altamente ordenada. Então, eles reagiram esses cristais com outra molécula para criar ligações entre as moléculas dentro do cristal.
“Dou muito crédito a Madison porque ela criou esse conceito para formar o polímero interligado mecanicamente”, disse Dichtel. “Foi uma ideia de alto risco e alta recompensa, onde tivemos que questionar nossas suposições sobre quais tipos de reações são possíveis em cristais moleculares”.
Os cristais resultantes compreendem camadas e mais camadas de folhas de polímero interligadas 2D. Dentro das folhas de polímero, as extremidades dos monómeros em forma de X estão ligadas às extremidades de outros monómeros em forma de X. Então, mais monômeros são enfiados nas lacunas intermediárias. Apesar da sua estrutura rígida, o polímero é surpreendentemente flexível. A equipe de Dichtel também descobriu que a dissolução do polímero em solução fazia com que as camadas de monômeros interligados se descolassem.
“Depois que o polímero é formado, não há muita coisa que mantenha a estrutura unida”, disse Dichtel. “Então, quando o colocamos em solvente, o cristal se dissolve, mas cada camada 2D se mantém unida. Podemos manipular essas folhas individuais.”
Para examinar a estrutura em nanoescala, colaboradores da Universidade Cornell, liderados pelo professor David Muller, usaram técnicas de microscopia eletrônica de ponta. As imagens revelaram o alto grau de cristalinidade do polímero, confirmaram sua estrutura interligada e indicaram sua alta flexibilidade.
A equipe de Dichtel também descobriu que o novo materials pode ser produzido em grandes quantidades. Os polímeros anteriores contendo ligações mecânicas normalmente foram preparados em quantidades muito pequenas usando métodos que provavelmente não serão escalonáveis. A equipe de Dichtel, por outro lado, produziu meio quilo de seu novo materials e presume que quantidades ainda maiores serão possíveis à medida que surgirem suas aplicações mais promissoras.
Adicionando resistência a polímeros resistentes
Inspirados pela resistência inerente do materials, os colaboradores de Dichtel na Duke College, liderados pelo professor Matthew Becker, adicionaram-no ao Ultem. Na mesma família do Kevlar, o Ultem é um materials incrivelmente forte que pode suportar temperaturas extremas, bem como produtos químicos ácidos e cáusticos. Os pesquisadores desenvolveram um materials compósito de 97,5% de fibra Ultem e apenas 2,5% de polímero 2D. Essa pequena porcentagem aumentou dramaticamente a força e resistência geral do Ultem.
Dichtel prevê que o novo polímero de seu grupo poderá ter futuro como materials especial para armaduras leves e tecidos balísticos.
“Temos muito mais análises a fazer, mas podemos dizer que isso melhora a resistência destes materiais compósitos”, disse Dichtel. “Quase todas as propriedades que medimos foram excepcionais de alguma forma.”
Repleto de história do Noroeste
Os autores dedicaram o artigo à memória do ex-químico da Northwestern, Sir Fraser Stoddart, que introduziu o conceito de ligações mecânicas na década de 1980. Em última análise, ele elaborou essas ligações em máquinas moleculares que mudam, giram, contraem e expandem de maneiras controláveis. Stoddart, falecido no mês passado, recebeu o Prêmio Nobel de Química de 2016 por este trabalho.
“As moléculas não se entrelaçam umas com as outras por conta própria, então Fraser desenvolveu maneiras engenhosas de modelar estruturas interligadas”, disse Dichtel, que period pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Stoddart na UCLA. “Mas mesmo esses métodos não chegaram a ser 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, o que modela a formação de uma ligação mecânica em torno de cada uma delas.
“Portanto, essas ligações mecânicas têm uma tradição profunda na Northwestern e estamos entusiasmados em explorar suas possibilidades de maneiras que ainda não foram possíveis”.
O estudo, “Polímeros bidimensionais intertravados mecanicamente”, foi apoiado principalmente pela Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa (número do contrato HR00112320041) e pelo IIN (Programa Ryan Fellows) da Northwestern.
