Se as cerdas de uma escova desmoronassem abruptamente em maços de macarrão, a escova iria, claro, tornar-se inútil. Quando é uma escova em escala de mícron chamada de "escova de polieletrólito, "esse colapso pode colocar uma droga experimental ou lubrificante promissor fora de serviço.

Mas agora um novo estudo revela, em detalhes finos, coisas que fazem essas cerdas especiais entrarem em colapso - e também se recuperarem. A pesquisa aumenta a compreensão dessas escovas químicas que têm muitos usos potenciais.

O que são escovas de polieletrólito?

As escovas de polieletrólito parecem um pouco com arbustos macios, como escovas para engraxar sapatos, mas eles estão na escala de grandes moléculas e as "cerdas" são feitas de cadeias de polímeros. As escovas de polieletrólito têm um suporte, ou substrato, e as cadeias de polímero amarradas ao suporte como cerdas macias têm propriedades químicas que tornam o pincel potencialmente interessante para muitos usos práticos.

Mas os polímeros são fibrosos e tendem a ficar emaranhados ou aglomerados, e mantê-los alinhados, como cerdas macias, é vital para o funcionamento dessas escovas de mícron. Pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Geórgia, a Universidade de Chicago, e o Argonne National Laboratory desenvolveu experimentos que causaram o colapso das cerdas de polieletrólitos e depois se recuperaram do colapso.

Eles fotografaram os processos em detalhes com microscopia de força atômica altamente sensível, e eles construíram simulações que combinavam de perto com suas observações. O investigador principal Blair Brettmann, da Georgia Tech, e os primeiros autores do estudo, Jing Yu e Nicholas Jackson, da Universidade de Chicago, publicaram seus resultados em 8 de dezembro, 2017, no jornal Avanços da Ciência .

Sua pesquisa foi apoiada pelo Departamento de Energia dos EUA, a National Science Foundation, e o Laboratório Nacional de Argonne.

De DNA falso a lubrificantes

A potencial recompensa futura para o trabalho dos pesquisadores vai desde materiais industriais até a medicina.

Por exemplo, escovas de polieletrólito destinam-se a superfícies que possuem sua própria lubrificação embutida. "Se você colocar as escovas em superfícies opostas, e as cerdas esfregam umas nas outras, então eles têm atrito realmente baixo e excelentes propriedades de lubrificação, "disse Blair Brettmann, que liderou o estudo e recentemente ingressou na Georgia Tech da Universidade de Chicago.

As escovas de polieletrólito também poderão um dia encontrar aplicações médicas. Foi demonstrado que suas cerdas simulam DNA e codificam proteínas simples. Outras escovas podem ser projetadas para repelir bactérias de superfícies. Algumas escovas de polieletrólito já existem no corpo na superfície de algumas células.

As escovas de polieletrólito podem fazer muitas coisas diferentes porque podem ser projetadas em muitas variações.

"Quando você constrói os pincéis, voce tem muito controle, "disse Brettmann, que é professor assistente na Escola de Ciência e Engenharia de Materiais da Georgia Tech. "Você pode controlar em nanoescala a distância entre as cadeias de polímero (as cerdas) e seu comprimento no substrato."

Eles são intrincados e sensíveis

Apesar de todo o seu grande potencial, escovas de polieletrólito também são complexas e sensíveis, e muita pesquisa é necessária para entender como otimizá-los.

As cadeias de polímero têm iônicos positivos e negativos, ou eletrolítico, cargas alternando ao longo de seus comprimentos, daí o nome "polieletrólito". Os químicos podem encadear os polímeros usando vários blocos de construção químicos, ou monômeros, e criar padrões de carga diferenciados para cima e para baixo na cadeia.

Há mais complexidade:o suporte e as cerdas não são tudo o que compõe as escovas de polieletrólito. Eles são banhados em soluções contendo eletrólitos suaves, que criam uma atração iônica equilibrada de todos os lados que sustenta as cerdas em vez de deixá-las entrar em colapso ou emaranhar.

"Muitas vezes, essas misturas têm um monte de outras coisas nelas, então a complexidade disso torna muito difícil entender fundamentalmente, "Brettmann disse, "e, portanto, difícil prever o comportamento em aplicações reais."

Invadindo impurezas

Quando outros produtos químicos entram nesses sistemas bem equilibrados que compõem as escovas de polieletrólito, eles podem fazer o colapso das cerdas. Por exemplo, a adição de eletrólitos muito poderosos pode agir como um bando de bolas de demolição.

Em seu experimento, Brettmann e seus colegas usaram um poderoso composto iônico construído em torno do ítrio, um metal de terra rara com uma carga forte. (O íon era trivalente, ou tinha uma valência de 3.) As forças iônicas de apenas uma dose baixa do eletrólito de ítrio fizeram as cerdas do polímero se enrolarem como pedaços de espaguete pegajoso.

Em seguida, os pesquisadores aumentaram a concentração dos íons mais suaves, que restaurou o suporte, sustentando as cerdas de volta. A imagem do microscópio de força atômica revelou padrões altamente regulares de colapso e re-extensão.

Esses padrões foram bem refletidos nas simulações; a confiabilidade dos efeitos dos íons no colapso e na recuperação ainda mais. A capacidade de construir uma simulação precisa reflete a forte consistência da química, o que é uma boa notícia para pesquisas futuras em potencial e aplicações práticas.

Inútil torna-se útil

Por toda a disfunção que o colapso das cerdas pode causar, a capacidade de recolhê-los propositalmente pode ser útil. "Se você pudesse colapsar e reativar as cerdas sistematicamente, você pode ajustar o grau de lubrificação, por exemplo, ou ligue e desligue a lubrificação, "Brettmann disse.

As escovas também podem regular as reações químicas envolvendo micro e nanopartículas, estendendo e colapsando as cerdas.

"Os revestimentos e filmes são frequentemente feitos combinando cuidadosamente as partículas de engenharia, e você pode usar essas escovas para manter essas partículas suspensas e separadas até que esteja pronto para deixá-las se encontrar, ligação, e formar o produto, "Brettmann disse.

Quando as cerdas da escova de polieletrólito são estendidas, eles atuam como uma barreira para manter as partículas separadas. Retire as cerdas do caminho de propósito, e as partículas podem se juntar.

É um mundo horrível

Os experimentos foram realizados com muito limpo, robusto, e compostos uniformes, ao contrário da confusão de produtos químicos que podem existir em sistemas naturais ou mesmo industriais.

"As cerdas que usamos eram sulfonato de poliestireno, que é um polieletrólito muito forte, não é sensível ao pH ou muito mais, "Disse Brettmann." Biopolímeros como polissacarídeos, por exemplo, são muito mais sensíveis. "

Como muitos experimentos, este foi um desvio das condições do mundo real. Mas, ao criar uma base para a compreensão de como esses sistemas funcionam, Brettmann quer, eventualmente, ser capaz de passar para cenários sensíveis para perceber mais do potencial prático das escovas de polieletrólito.