Pesquisadores da Faculdade de Ciências e da Faculdade de Engenharia descobriram que um polímero de alta resistência chamado "PBDT" tem uma rara estrutura de dupla hélice, abrindo possibilidades para uso em uma variedade de aplicações.

Esta descoberta, publicado recentemente em Nature Communications , vem como uma extensão do desenvolvimento de um gel de íon de polímero, que promete superar os eletrólitos de bateria de líquido inflamável convencional. Agora, equipado com evidência da estrutura de dupla hélice, o potencial desse material de alto desempenho vai muito além das baterias.

"Este polímero existe há 30 anos, e ninguém descobriu que é uma dupla hélice, "disse o Professor Associado de Química Lou Madsen, quem liderou esta pesquisa. "As hélices duplas em sistemas sintéticos são essencialmente inéditas."

Madsen liderou uma colaboração internacional, que incluía os professores da Virginia Tech Rui Qiao (engenharia mecânica) e Robert Moore (química), bem como Theo Dingemans na University of North Carolina em Chapel Hill e Bernd Ensing na University of Amsterdam na Holanda. Todos os três professores da Virginia Tech são afiliados ao Macromolecules Innovation Institute.

A rigidez pode ajudar novos compostos

Compósitos são materiais de engenharia que unem vários componentes para criar um novo conjunto de propriedades aprimoradas.

Pneus e fuselagens de aviões modernos são exemplos de compósitos. Eles exigem um material básico, como borracha no exemplo dos pneus, para ser misturado com outros materiais, como enchimentos de fibra de reforço, para maior força.

Madsen e sua equipe já haviam mostrado em 2016 que o PBDT poderia se misturar com íons líquidos para criar um eletrólito de bateria sólido.

"Antes estávamos confiantes sobre esta dupla hélice, descobrimos que o PBDT pode se misturar com íons líquidos e tornar este eletrólito que tem uma condutividade muito boa e também é mecanicamente rígido, "Madsen disse." Fizemos algo com PBDT, mas queríamos saber por que funciona tão bem. Tínhamos evidências de que era uma dupla hélice, mas não apreciamos a maioria de suas características. "

Estruturas de dupla hélice, como DNA, são bem conhecidos na natureza, e eles têm alta rigidez à flexão. O DNA tem um diâmetro de cerca de 2,5 nanômetros e é rígido até cerca de 50 nanômetros de comprimento, onde começa a dobrar. Isso cria uma "taxa de rigidez" de cerca de 20 para 1, semelhante a um palito de cenoura.

Em comparação, PBDT tem uma taxa de rigidez de 1, 000 para 1, tornando-se uma das moléculas mais rígidas já descobertas.

A suprema rigidez do polímero significa que apenas uma fração dele seria necessária para atingir um desempenho comparável aos enchimentos de reforço convencionais. Além disso, o processo de criação é extremamente barato e fácil.

"Se você estiver usando enchimentos convencionais em um composto, você pode usar 10 por cento para obter as propriedades que deseja, "Madsen disse." Mas PBDT tem esse comprimento de rigidez longo e um diâmetro minúsculo. Isso significa que talvez você só precise aplicar 1 ou 2 por cento para obter um material altamente aprimorado. "

De raios X e DNA à modelagem computacional

Em 2014, Madsen e seu Ph.D. o aluno Ying Wang pensava que o polímero era uma dupla hélice, mas não tinha evidências sólidas. Eles então começaram estudos de raios-X em PBDT, semelhantes aos estudos que Rosalind Franklin conduziu com DNA no início dos anos 1950 que levaram à descoberta da dupla hélice do DNA. Com certeza, o raio-X PBDT foi semelhante ao raio-X do DNA de Franklin. Eles ainda usaram uma técnica semelhante à ressonância magnética para reforçar suas evidências.

Madsen então procurou Ensing na Holanda e depois Qiao na Virginia Tech para obter ajuda na compreensão do polímero com modelos computacionais.

Qiao disse que inicialmente não achava que a simulação iria funcionar.

"Uma simulação de uma automontagem para formar uma estrutura helicoidal dupla - eu nunca tinha ouvido falar nisso, exceto que as pessoas fizeram isso para o DNA, "Qiao disse." Mas para este tipo de simulação, é muito difícil. Meu aluno tentou de qualquer maneira e milagrosamente funcionou. Tentamos várias condições diferentes, diferentes maneiras de executar simulações, mas os resultados foram robustos, o que nos deu alguma confiança de que é uma verdadeira dupla hélice. "

A confirmação da estrutura de dupla hélice abre possibilidades para a aplicação potencial do PBDT além dos eletrólitos da bateria, como materiais aeroespaciais leves.

"A aplicação disso realmente será limitada pela nossa imaginação, "Qiao disse." Agora nós temos um novo tipo de peça de Lego. À medida que mais pessoas ouvem sobre este material, eles encontrarão sua própria maneira de usá-lo. O que realmente vai sair disso, podemos não imaginar hoje. "