A nova substância é o resultado de um feito considerado impossível: polimerizar um material em duas dimensões.
Usando um novo processo de polimerização, engenheiros do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), dos Estados Unidos, criaram um novo material que é mais forte que o aço e tão leve quanto o plástico.
O novo material, que pode ser facilmente fabricado em grandes quantidades, 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, explica Michael Strano, professor de engenharia química do Carbon P. Dubbs no MIT e autor 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 usado para gerar o material, que descrevem em um artigo publicado recentemente na revista científica Nature. O pós-doutorando do MIT Yuwen Zeng é o principal autor do estudo.
Duas dimensões
Polímeros, que incluem todos os plásticos, consistem em cadeias de blocos de construção chamados monômeros. Essas cadeias crescem adicionando novas moléculas em suas extremidades. Uma vez formados, os polímeros podem ser moldados em objetos tridimensionais, como garrafas de água, usando moldagem por injeção.
Fonte: Imagem do polímero por Christine Daniloff, MIT.
Os cientistas de polímeros há muito formulam a hipótese de que, se os polímeros pudessem ser induzidos a crescer em uma folha bidimensional, eles deveriam formar materiais extremamente fortes e leves.
No entanto, muitas décadas de trabalho neste campo levaram à conclusão de que era impossível criar tais folhas. 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 se expandir em três dimensões e a estrutura em forma de folha será perdida.
No entanto, no novo estudo, os pesquisadores criaram um novo processo de polimerização que lhes permite gerar uma folha bidimensional chamada poliaramida.
Para os blocos de construção do monômero, eles usam um composto chamado melamina, que contém um anel de átomos de carbono e nitrogênio.
Sob as condições certas, esses monômeros podem crescer em duas dimensões, formando discos. Esses discos se empilham uns sobre os outros, mantidos juntos por ligações de hidrogênio entre as camadas, o que torna a estrutura muito estável e forte.
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.
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, embora o material tenha apenas cerca de um sexto da densidade do aço.
Fontes:
New lightweight material is stronger than steel. MIT News. 2 de fevereiro, 2022.
Zeng, Y., Gordiichuk, P., Ichihara, T. e colaboradores. Irreversible synthesis of an ultrastrong two-dimensional polymeric material. Nature, 2022.