Plástico tem dureza controlável e se conserta em segundos

Polímeros biométicos

A natureza projetou os seres vivos com uma estrutura cuidadosamente dividida em camadas, com ossos rígidos envoltos em camadas de diferentes tecidos moles, como músculos e pele, todos unidos perfeitamente uns aos outros.

Alcançar esse tipo de sofisticação usando materiais sintéticos para construir peças robóticas ou estruturas multicomponentes de inspiração biológica tem sido um desafio que a engenharia tem enfrentado com algum sucesso.

Um avanço importante nessa área – conhecida como biomimetismo – acaba de ser dado por Qing Zhou e colegas da Universidade do Texas, nos EUA.

Zhou criou toda uma família de materiais sintéticos que podem variar em textura, de ultramacia até extremamente rígida.

Os pesquisadores afirmam que seus materiais podem ser fabricados por impressão 3-D, consertam-se sozinhos quando danificados, são recicláveis e aderem naturalmente uns aos outros, no ar ou debaixo d’água.

Reticulação reversível

Os polímeros sintéticos são constituídos por longas cadeias de padrões moleculares repetidos, como as contas em um colar. Nos polímeros elastoméricos, ou elastômeros, essas cadeias longas são levemente reticuladas, dando aos materiais uma qualidade de borracha. No entanto, essas reticulações também podem ser usadas para tornar os elastômeros mais rígidos, o que pode ser feito aumentando o número de reticulações.

Os químicos já haviam conseguido manipular a densidade das ligações cruzadas para tornar os elastômeros mais rígidos, mas essa mudança na resistência mecânica é tipicamente permanente. O que Zhou e seus colegas fizeram agora foi criar uma reticulação dinâmica e reversível, o que não apenas permite controlar a rigidez do material depois de pronto, mas também o torna reciclável.

Para isso, eles escolheram um polímero original – chamado pré-polímero – e então inseriram quimicamente em sua retícula dois tipos de pequenas moléculas, chamadas furano e maleimida. Aumentando ou diminuindo o número dessas moléculas no pré-polímero, eles descobriram que podiam criar materiais mais ou menos rígidos.

O material resultante pode variar de uma versão macia até outra mais dura – 1.000 vezes mais resistente do que o mais macio.

Materiais responsivos

As ligações cruzadas dinâmicas também são reversíveis: Quando a temperatura é alta o suficiente, as moléculas se separam das cadeias do polímero e o material amolece. À temperatura ambiente, as moléculas rapidamente se juntam novamente, formando ligações cruzadas, e o material endurece. Assim, se houver algum rasgo nesses materiais à temperatura ambiente, o furano e a maleimida se religam automaticamente, curando a lacuna em poucos segundos.

“No momento, podemos facilmente atingir cerca de 80% de autocura em temperatura ambiente, mas queremos chegar a 100%. Além disso, queremos tornar nossos materiais responsivos a outros estímulos além da temperatura, como a luz,” disse o pesquisador Frank Gardea, membro da equipe. “Mais adiante, gostaríamos de explorar a introdução de alguma inteligência de baixo nível, para que esses materiais saibam se adaptar de forma autônoma, sem a necessidade de um usuário para iniciar o processo.”

Bibliografia

Artigo: A Tailorable Family of Elastomeric-to-Rigid, 3D Printable, Interbonding Polymer Networks
Autores: Qing Zhou, Frank Gardea, Zhen Sang, Seunghyun Lee, Matt Pharr, Svetlana A. Sukhishvili
Revista: Advanced Functional Materials
DOI: 10.1002/adfm.202002374