Da funcionalização às propriedades antibacterianas para aplicações sustentáveis

O polietileno (PE) é um dos materiais plásticos mais utilizados e versáteis em todo o mundo, valorizado pela sua relação custo-benefício, propriedades leves e facilidade de conformabilidade. Estas características tornam o PE indispensável num amplo espectro de aplicações, desde materiais de embalagem até plásticos estruturais.

No entanto, apesar da sua utilidade generalizada, a inércia química inerente do PE limita a sua funcionalidade em aplicações avançadas, restringindo o seu potencial para utilizações mais inovadoras.

Para desbloquear este potencial, é essencial introduzir grupos funcionais polares no PE, o que pode melhorar significativamente as suas propriedades e abrir portas para novas aplicações. Este desafio tornou-se um foco importante na química de polímeros, onde o desenvolvimento de métodos eficientes para modificar o PE tem atraído interesse crescente.

Um dos principais obstáculos na modificação do PE é a sua resistência química, o que dificulta a sua funcionalização através de métodos convencionais. Esta inércia também contribui para a acumulação de resíduos de PE em aterros, representando um grave desafio ambiental. À medida que a poluição plástica continua a ameaçar os ecossistemas em todo o mundo, é imperativo encontrar formas de reciclar ou transformar PE em produtos valiosos.

Embora existam algumas abordagens para modificar o PE, muitas vezes carecem de escalabilidade ou eficiência, sublinhando a necessidade de soluções inovadoras que equilibrem impacto ambiental com benefícios funcionais para este plástico onipresente.

Entre as diversas estratégias disponíveis, a aminação emergiu como um dos métodos mais promissores para modificar a PE.

Mas por que focar nas aminas?

As aminas são grupos à base de nitrogênio com um ou mais átomos de hidrogênio anexado na forma de títulos NH. Esses grupos NH podem se envolver em ligações de hidrogênio, permitindo interações entre cadeias poliméricas. Isto não só aumenta a reatividade química do polímero, mas também melhora o seu desempenho em diversas aplicações, desde adesivos até revestimentos.

No entanto, alcançar a funcionalização eficiente do PE com aminas tem sido um desafio significativo; a maioria dos métodos requer múltiplas etapas que consomem muita energia ou corre o risco de degradar as propriedades do polímero.

Consequentemente, o progresso em direção a um método escalável e eficaz para aminação de PE tem sido limitado. Notavelmente, a conversão dos grupos NH no PE aminado em outras espécies poderia ampliar ainda mais a gama de aplicações do PE.

É aqui que a minha investigação, como pós-doutorando no grupo Schafer da Universidade da Colúmbia Britânica, dá um salto ousado.

Através de extensa exploração, concentrei-me em um processo catalítico chamado hidroaminoalquilação para aminar PE de forma eficiente. Anteriormente utilizada na modificação do polipropileno, esta técnica mostrou-se promissora na transformação do PE através de uma reação simples de uma etapa.

O trabalho é publicado no diário Angewandte Chemie Edição Internacional.

A força deste método reside na sua eficiência: funciona sob condições suaves e sem solventes e evita a degradação induzida por radicais observada nos métodos convencionais. Ao aplicar esta abordagem ao polietileno terminado em vinil (VTPE), generosamente fornecido pelo meu parceiro industrial NOVA Chemical compounds, criei com sucesso PE funcionalizado com amina com etapas de reação mínimas, aumentando a escalabilidade e a relação custo-benefício.

Na Universidade da Colúmbia Britânica, meus colegas do grupo Hatzikiriakos conduziram testes reológicos e mecânicos no meu PE aminado. Eles descobriram que a introdução de grupos amina não só modificou as propriedades químicas do PE, mas também impactou as suas características físicas.

Por exemplo, a temperatura de cristalização do PE modificado aumentou, indicando interações intermoleculares mais fortes dentro do polímero devido aos grupos amina. Os grupos amina também aumentaram a hidrofilicidade do materials (ou atração pela água), pois as ligações NH podem formar ligações de hidrogênio com moléculas de água.

Tradicionalmente, a reciclagem de PE tem sido um desafio devido à sua inércia química, mas esta nova abordagem permite-nos transformar resíduos de PE em recursos valiosos. Aminação de resíduos de PE é uma promessa significativa para a sustentabilidade, tornando possível reutilizá-los e reaproveitá-los para diversas aplicações.

Agora, think about um mundo onde você não exact higienizar as mãos toda vez que toca uma superfície, uma preocupação comum durante a pandemia de COVID-19. Este é o problema que pretendi abordar em meu estudo.

Veja como a aminação pode levar a um efeito antibacteriano: converti os grupos amina do polímero em grupos de amônio carregados positivamente tratando o PE aminado com uma solução de cloridrato. Como as bactérias têm membranas celulares carregadas negativamente, elas são naturalmente atraídas pelos grupos de amônio carregados positivamente.

Esta interação eletrostática perturba a membrana celular bacteriana, matando as bactérias. Após essa transformação, meus colaboradores da Universidade de Calgary, a equipe de Heyne, expuseram o polímero modificado à bactéria Staphylococcus aureus. O polímero matou todas as bactérias em um curto tempo de exposição.

Em essência, desenvolvi um polímero antibacteriano que tem potencial para uso como revestimento em superfícies do dia a dia, oferecendo uma forma de prevenir a propagação de germes sem a necessidade de higienização constante.

Essa história faz parte Diálogo Ciência Xonde os pesquisadores podem relatar resultados de seus artigos de pesquisa publicados. Visite esta página para obter informações sobre o Science X Dialog e como participar.

Sou pós-doutorado na College of British Columbia no grupo Schafer. Minha pesquisa está focada no projeto de catalisadores para hidroaminoalquilação de poliolefinas. Antes do meu pós-doutorado, concluí meu doutorado. em química inorgânica e catálise pela Universidade de Ottawa, no grupo Baker.