No clássico de ficção científica de Kurt Vonnegut Berço de gato , ice-nine é uma substância capaz de elevar o ponto de derretimento da água de 32 para 114,4 graus Fahrenheit. Uma vez em contato com a água, ele se espalha instantaneamente e indefinidamente, deixando oceanos congelados e consequências assustadoras em seu rastro. Felizmente, como Vonnegut explica na epígrafe, 'Nada neste livro é verdade.' Quando ele escreveu o romance em 1963, ele pode estar certo.

Pesquisadores da Universidade de Pittsburgh descobriram o comportamento fantástico de um polímero líquido capaz de congelar água em temperatura ambiente. Além de dar crédito à imaginação profética de Vonnegut, a mistura resultante aparentemente desafia a segunda lei da termodinâmica, que afirma que dentro de um sistema isolado, a entropia sempre aumenta.

"Quando você mistura dois componentes puros, a entropia (ou o grau de desordem), sempre aumenta, "explica John Keith, professor assistente de engenharia química e membro do corpo docente Richard King Mellon em Energia na Escola de Engenharia Swanson de Pitt. "Essa desordem quase sempre faz com que as misturas tenham um diminuir ponto de congelamento do que qualquer um dos componentes individualmente, não superior. "

A mistura de sal e água, por exemplo, congela em temperaturas mais baixas do que sal ou água individualmente. Essa qualidade torna o sal adequado para derreter gelo em estradas e calçadas no inverno. Contudo, quando um determinado polímero - conhecido como polioxaciclobutano (POCB) - é misturado com água, aumenta o ponto de congelamento da mistura de 32 graus Fahrenheit para cerca de 100 graus Fahrenheit. Os pesquisadores publicaram suas descobertas no jornal American Chemical Society (ACS) Macro moléculas .

Esse comportamento não é totalmente sem precedentes. A mistura de certos metais em proporções específicas pode criar ligas com pontos de fusão mais altos do que os metais individuais. Como as ligas são compostas de pelo menos dois átomos de tamanhos diferentes, combinações favoráveis ​​de átomos podem se entrelaçar para formar fortes ligações químicas que neutralizam a segunda lei da termodinâmica.

"Esse comportamento, em que a mistura derrete mais alto do que seus componentes, é bem conhecido em metais. Mas é muito incomum, entre não metais, "diz Sachin Velankar, professor associado de engenharia química na Pitt e especialista em ciência de polímeros. "Para o melhor do meu conhecimento, POCB parece ser a única substância a apresentar esse comportamento com água. "

POCB originalmente veio para a universidade do fabricante de produtos químicos DuPont como parte de uma colaboração de pesquisa entre a empresa e Robert Enick, vice-presidente de pesquisa do departamento de engenharia química. Um aluno de pós-graduação que trabalhava no laboratório do Dr. Enick notou que o polímero líquido ficou turvo quando misturado com gotas de água, mas mais curiosamente, a combinação resultante - ou "hidrato" - era uma pasta mole (semelhante à manteiga de amendoim) quando uma quantidade precisa de água era adicionada. Ainda mais estranhamente, experimentos com o material mostraram que cristalitos bem ordenados estavam se formando entre dois líquidos.

O Dr. Keith e seus colegas usaram modelagem de computador para encontrar uma estrutura de hidrato estável onde as moléculas de água se enroscam no polímero para formar ligações de hidrogênio que mantêm o material unido como minúsculos zíperes. "Demora menos de uma hora para a mistura se automontar em temperatura ambiente, e a textura final é como protetor labial, "Dr. Keith diz.

Os pesquisadores do Pitt vasculharam jornais acadêmicos para encontrar referências científicas aos hidratos de POCB, que foi produzido pela DuPont no final dos anos 2000 com o nome "Cerenol" porque é feito de milho (um grão "cereal"). No início, a pesquisa foi curta, mas uma conversa com Eric Beckman, Distinguished Service Professor de engenharia química e codiretor do Pitt's Mascaro Center for Sustainable Innovation, avisou-os de outros nomes pelos quais o polímero poderia ter sido chamado no passado. Um pouco depois, os pesquisadores do Pitt descobriram que a estrutura do hidrato já havia sido descoberta por uma equipe de pesquisadores japoneses no final dos anos 1960.

"O polímero tem quatro ou cinco nomes, e alguns não são intuitivos, "diz o Dr. Velankar." Depois de encontrarmos os estudos anteriores, percebemos que percebemos que havíamos descoberto uma faceta emocionante de um antigo achado. "

A equipe japonesa, usando técnicas de raios-X semelhantes às interpretadas por Watson e Crick para identificar a dupla hélice no DNA, havia encontrado estruturas de hidrato semelhantes ao derreter formas de alto peso molecular do polímero que eram sólidas à temperatura ambiente. Esse estudo, que também apareceu em Macromoléculas ACS em 1970, passou relativamente despercebido nas cinco décadas desde sua publicação. A inovação dos pesquisadores da Pitt é que hidratos semelhantes podem se formar espontaneamente com formas de baixo peso molecular do polímero que são líquidas à temperatura ambiente, eliminando assim a necessidade de derreter antes de misturar com água.

"O polímero também pode sugar suavemente a umidade do ar naturalmente, "diz o Dr. Velankar." Sentimos que esse comportamento era uma curiosidade, mas muito interessante. Nossa pesquisa tem sido principalmente uma exploração fundamental de um fenômeno muito incomum, mas existem muitas aplicações potenciais a serem consideradas. "

Os pesquisadores da Pitt Engineering já colaboraram com Alexander Star no Departamento de Química de Pitt para revestir um eletrodo de nanotubo com o polímero para transformá-lo em um dispositivo de memória de computador. O jornal ACS Química de Materiais publicou os resultados do estudo.

Uma das aplicações potenciais certamente não será um dispositivo do Juízo Final como o ice-nine de Vonnegut, porque o POCB não pode se espalhar instantaneamente ou indefinidamente através das fontes de água. Em vez de desencadear o apocalipse, pesquisadores da Universidade de Pittsburgh acham que descobrir o comportamento de congelamento desse polímero pode trazer novas inovações.

"Agora que conhecemos um exemplo de mistura polímero-água com essas qualidades, podemos agora pesquisar outras misturas que possam ter outras propriedades interessantes, "diz o Dr. Keith." Estou muito otimista de que esta é uma excitante nova classe de materiais cristalinos que se formam espontaneamente a partir de misturas de líquidos. "