Usando um novo processo de polimerização, os engenheiros químicos do MIT criaram um novo material que é mais forte que o aço e tão leve quanto o plástico, e pode ser facilmente fabricado em grandes quantidades.
O novo material é um polímero bidimensional que se automonta em folhas, ao contrário de todos os outros polímeros, que formam cadeias unidimensionais semelhantes a espaguete. Até agora, os cientistas acreditavam que era impossível induzir polímeros a formar folhas 2D.
Esse material pode ser usado como revestimento leve e durável para peças de automóveis ou telefones celulares, ou como material de construção para pontes ou outras estruturas, diz Michael Strano, professor de engenharia química do Carbon P. Dubbs no MIT e autor sênior do novo estudo.
“Geralmente não pensamos em plástico como algo que você poderia usar para apoiar uma construção, mas com esse material, você pode possibilitar coisas novas”, diz ele. “Tem propriedades muito incomuns e estamos muito empolgados com isso.”
Os pesquisadores solicitaram duas patentes sobre o processo que usaram para gerar o material, que descrevem em um artigo publicado na Nature, no início do mês. O pós-doutorando do MIT, Yuwen Zeng, é o principal autor do estudo.
Duas dimensões
Polímeros, que inclui todos os plásticos, consiste em cadeias de blocos de construção chamados monômeros. Essas novas configurações são adicionadas. Uma vez formados, os polímeros podem ser moldados em objetos tridimensionais, como garrafas de água usando moldagem por injeção.
Os cientistas de polímeros têm uma hipótese de que muitos polímeros podem ser criados em uma folha bidimensional, eles criaram materiais extremamente fortes e leves. No entanto, muitas décadas de trabalho neste campo levam à conclusão de que era impossível criar. Uma razão para isso foi que, se apenas um monômero girar para cima ou para baixo, fora do plano da folha em crescimento, o material começará a expandir em três dimensões e uma estrutura em forma de folha será perdida.
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Como o material se automonta em solução, ele pode ser feito em grandes quantidades simplesmente aumentando a quantidade dos materiais de partida. Os pesquisadores mostraram que poderiam revestir superfícies com filmes do material, que eles chamam de 2DPA-1.
“Com esse avanço, temos moléculas planares que serão muito mais fáceis de moldar em um material muito forte, mas extremamente fino”, diz Strano.
Leve mas forte
Os pesquisadores descobriram que o módulo de elasticidade do novo material – uma medida de quanta força é necessária para deformar um material – é entre quatro e seis vezes maior do que o vidro à prova de balas. Eles também descobriram que seu limite de escoamento, ou quanta força é necessária para quebrar o material, é o dobro do aço, mesmo que o material tenha apenas cerca de um sexto da densidade do aço.
Matthew Tirrell, reitor da Escola Pritzker de Engenharia Molecular da Universidade de Chicago, diz que a nova técnica “incorpora uma química muito criativa para fazer esses polímeros 2D ligados”.
“Um aspecto importante desses novos polímeros é que eles são facilmente processáveis em solução, o que facilitará inúmeras novas aplicações onde a alta relação resistência-peso é importante, como novos materiais compósitos ou barreira de difusão”, diz Tirrell, que não esteve envolvido no estudo.
Outra característica importante do 2DPA-1 é que ele é impermeável aos gases. Enquanto outros polímeros são feitos de cadeias enroladas com lacunas que permitem a passagem de gases, o novo material é feito de monômeros que se encaixam como LEGOs, e as moléculas não podem ficar entre eles.
“Isso pode nos permitir criar revestimentos ultrafinos que podem impedir completamente a passagem de água ou gases”, diz Strano. “Esse tipo de revestimento de barreira pode ser usado para proteger metal em carros e outros veículos, ou estruturas de aço.”
Strano e seus alunos estão agora estudando com mais detalhes como esse polímero em particular é capaz de formar folhas 2D e estão experimentando mudar sua composição molecular para criar outros tipos de novos materiais.
A pesquisa foi financiada pelo Centro de Transporte Nanofluídico Aprimorado (CENT), um Centro de Pesquisa de Fronteira de Energia patrocinado pelo Departamento de Energia dos EUA, Escritório de Ciências e pelo Laboratório de Pesquisa do Exército.
*Artigo original disponível aqui.
