Os pesquisadores do MIT desenvolveram um material polimérico que pode mudar sua estrutura em resposta à luz, a conversão de uma substância rígida em uma mais macia que pode se curar quando danificada.

"Você pode alternar os estados do material para frente e para trás, e em cada um desses estados, o material age como se fosse um material completamente diferente, mesmo que seja feito de todos os mesmos componentes, "diz Jeremiah Johnson, um professor associado de química no MIT, membro do Instituto Koch para Pesquisa Integrativa do Câncer e do Programa de Polímeros e Matéria Mole do MIT, e o líder da equipe de pesquisa.

O material consiste em polímeros ligados a uma molécula sensível à luz que pode ser usada para alterar as ligações formadas dentro do material. Esses materiais podem ser usados ​​para revestir objetos como carros ou satélites, dando-lhes a capacidade de curar após serem danificados, embora esses aplicativos ainda estejam em um futuro distante, Johnson diz.

O principal autor do artigo, que aparece na edição de 18 de julho da Natureza , Yuwei Gu é o estudante de graduação do MIT. Outros autores são o estudante de graduação do MIT Eric Alt, Professor assistente de química do MIT Adam Willard, e Heng Wang e Xiaopeng Li, da University of South Florida.

Estrutura controlada

Muitas das propriedades dos polímeros, como sua rigidez e capacidade de expansão, são controlados por sua topologia - como os componentes do material são organizados. Usualmente, uma vez que um material é formado, sua topologia não pode ser alterada reversivelmente. Por exemplo, uma bola de borracha permanece elástica e não pode ser quebrada sem alterar sua composição química.

Nesse artigo, os pesquisadores queriam criar um material que pudesse alternar reversivelmente entre dois estados topológicos diferentes, o que não foi feito antes.

Johnson e seus colegas perceberam que um tipo de material que projetaram há alguns anos, conhecidas como gaiolas de polímero metálico, ou polyMOCs, foi um candidato promissor para essa abordagem. PolyMOCs consistem em contendo metal, estruturas em forma de gaiola unidas por ligantes de polímero flexíveis. Os pesquisadores criaram esses materiais misturando polímeros ligados a grupos chamados ligantes, que pode se ligar a um átomo de metal.

Cada átomo de metal - neste caso, paládio - pode formar ligações com quatro moléculas de ligante, criando aglomerados rígidos em forma de gaiola com proporções variáveis ​​de paládio para moléculas de ligante. Essas proporções determinam o tamanho das gaiolas.

No novo estudo, os pesquisadores se propuseram a projetar um material que pudesse alternar reversivelmente entre duas gaiolas de tamanhos diferentes:uma com 24 átomos de paládio e 48 ligantes, e um com três átomos de paládio e seis moléculas de ligante.

Para conseguir isso, eles incorporaram uma molécula sensível à luz chamada DTE no ligante. O tamanho das gaiolas é determinado pelo ângulo das ligações que uma molécula de nitrogênio no ligante forma com o paládio. Quando o DTE é exposto à luz ultravioleta, ele forma um anel no ligante, o que aumenta o tamanho do ângulo em que o nitrogênio pode se ligar ao paládio. Isso faz com que os clusters se separem e formem clusters maiores.

Quando os pesquisadores iluminam o material com luz verde, o anel esta quebrado, o ângulo de ligação fica menor, e os aglomerados menores se reformam. O processo leva cerca de cinco horas para ser concluído, e os pesquisadores descobriram que podiam realizar a reversão até sete vezes; com cada reversão, uma pequena porcentagem dos polímeros não consegue retornar, o que eventualmente faz com que o material se desintegre.

Quando o material está no estado de pequeno aglomerado, torna-se até 10 vezes mais suave e dinâmico. "Eles podem fluir quando aquecidos, o que significa que você pode cortá-los e com aquecimento moderado esse dano vai curar, "Diz Johnson.

Essa abordagem supera a compensação que geralmente ocorre com materiais de autocura, que é que estruturalmente eles tendem a ser relativamente fracos. Nesse caso, o material pode alternar entre o mais macio, estado de autocura e um estado mais rígido.

Materiais de autocura

Nesse artigo, os pesquisadores usaram o polímero polietilenoglicol (PEG) para fazer seu material, mas eles dizem que essa abordagem pode ser usada com qualquer tipo de polímero. As aplicações potenciais incluem materiais de autocura, embora para esta abordagem ser amplamente utilizada, paládio, um metal raro e caro, provavelmente teria que ser substituído por uma alternativa mais barata.

"Qualquer coisa feita de plástico ou borracha, se poderia ser curado quando foi danificado, então não teria que ser jogado fora. Talvez essa abordagem fornecesse materiais com ciclos de vida mais longos, "Diz Johnson.

Outra aplicação possível para esses materiais é a administração de medicamentos. Johnson acredita que seria possível encapsular drogas dentro de gaiolas maiores, em seguida, exponha-os à luz verde para que se abram e liberem seu conteúdo. Aplicar luz verde pode permitir a recaptura das drogas, fornecendo uma nova abordagem para a distribuição reversível de drogas.

Os pesquisadores também estão trabalhando na criação de materiais que podem passar reversivelmente do estado sólido para o estado líquido, e sobre o uso de luz para criar padrões de seções macias e rígidas dentro do mesmo material.