Os plásticos estão ao nosso redor - eles constituem nossas garrafas de água, sacos de lixo, materiais de embalagem, brinquedos, containers, e mais. Cerca de 300 milhões de toneladas de plástico são produzidas em todo o mundo a cada ano, no entanto, os detalhes do que acontece na escala atômica durante o processo de produção de plásticos ainda não são claros.

Agora, uma nova técnica desenvolvida por pesquisadores do Lawrence Berkeley National Laboratory do DOE (Berkeley Lab), em colaboração com a Dow e a Eindhoven University of Technology na Holanda, está fornecendo detalhes de resolução atômica sobre cloreto de magnésio, um material envolvido na produção do plástico mais comum, polietileno - e poderia ajudar a criar um caminho para plásticos sustentáveis. Suas descobertas foram relatadas em Materiais Funcionais Avançados .

Os pesquisadores usaram feixes de elétrons pulsados ​​em um microscópio eletrônico para produzir imagens inéditas de cloreto de magnésio. Um feixe de elétrons contínuo danifica rapidamente este delicado, material sensível ao feixe, mas a nova técnica permitiu aos pesquisadores estudá-la sem danos.

"Se você tivesse me perguntado há 10 anos se poderíamos usar feixes de elétrons pulsados ​​para obter imagens de materiais sensíveis a feixes com resolução atômica, Eu não teria acreditado, "disse Christian Kisielowski, autor principal do estudo e cientista da equipe da Fundição Molecular do Berkeley Lab, uma instalação de usuário de ciência em nanoescala. “Agora é possível, e nos permitiu estudar um material importante para a indústria de plásticos. "

Kisielowski acrescentou que esta é uma virada de jogo para a imagem de uma ampla gama de materiais que normalmente são danificados dentro de um microscópio eletrônico. Além do cloreto de magnésio, por exemplo, feixes de elétrons pulsados ​​também podem ser usados ​​para estudar membranas moles e plásticos em geral.

Focando em um novo caminho para plásticos sustentáveis

Embora o cloreto de magnésio seja amplamente utilizado como uma estrutura de suporte para catalisadores (materiais que aceleram as reações) usados ​​para fazer plásticos, a maneira exata como funciona permanece um mistério. Imagens em escala atômica de cloreto de magnésio ajudariam a esclarecer seu papel na produção de plásticos e poderiam ajudar a pavimentar o caminho para plásticos mais especializados e sustentáveis.

Infelizmente, tentativas anteriores de obter imagens deste material crítico foram difíceis porque o cloreto de magnésio pode existir em dois tipos de estruturas cristalinas que têm arranjos de átomos ligeiramente diferentes. "O próprio feixe de elétrons afeta a estrutura do material, tornando difícil interpretar qual estrutura está sendo representada, "disse Kisielowski." Ao trabalhar com nossos colaboradores, fomos capazes de extrair diferentes interações. "

A equipe do Berkeley Lab colaborou com a Eindhoven University of Technology e a Dow para desenvolver uma técnica que fornece pulsos periódicos de elétrons em vez de um feixe de elétrons contínuo para imagens de cloreto de magnésio. Usando um microscópio eletrônico modificado em Eindhoven, os pesquisadores descobriram que, ao pulsar o feixe de elétrons como uma luz estroboscópica extremamente rápida, com um pulso a cada 160 picossegundos (1 picossegundo é um trilionésimo de segundo), o material pode essencialmente "curar" a si mesmo entre os pulsos.

É bem sabido que as amostras são danificadas em um microscópio eletrônico quando os átomos são retirados da posição ou as moléculas são divididas em partículas menores. Por meio deste estudo, os pesquisadores aprenderam que o acúmulo de vibrações atômicas causadas pelo feixe de elétrons é igualmente importante. Ao pulsar o feixe no tempo com essas vibrações, os pesquisadores preservaram a estrutura atômica original do material e revelaram que as folhas de cloreto de magnésio empilhadas umas sobre as outras em um arranjo irregular, como uma pilha desordenada de livros, que o distingue de outros materiais.

Outro problema que outros pesquisadores enfrentaram ao obter imagens de cloreto de magnésio é que, quando o material é exposto ao ar, ele muda tanto no conteúdo químico quanto na estrutura do cristal (a maneira como seus átomos estão dispostos no espaço). Mas ao usar técnicas convencionais de microscopia eletrônica, a amostra é exposta ao ar à medida que é transferida para o microscópio.

Quando novas soluções se tornam cristalinas

Kisielowski observou que, por meio de sua colaboração com a Dow, eles foram capazes de minimizar a exposição do material ao ar antes de colocá-lo dentro do microscópio, usando um suporte especial selado a vácuo. "Nossos colegas da Dow nos ensinaram como manusear materiais sensíveis ao ar, e esse foi um elemento-chave de tudo isso, "Kisielowski disse." Somos especialistas em controlar o feixe de elétrons, o que é igualmente importante. Foi uma colaboração de dar e receber. "

"Historicamente, um entendimento de nível atômico de cloreto de magnésio tem sido difícil de alcançar, "disse David Yancey, o colaborador do projeto na Dow, acrescentando que o relacionamento próximo da Dow com o Berkeley Lab permitiu que eles aplicassem a experiência em microscopia da Foundry para resolver esse problema desafiador.

Ao formar parceria, os pesquisadores do Berkeley Lab e da Dow podem lidar com questões científicas fundamentais que estão na raiz de problemas industriais desafiadores. “A parceria institucional está abrindo novos caminhos para pesquisas futuras, "disse Horst Simon, Vice-Diretor de Pesquisa do Berkeley Lab. "Lidando com esses grandes, questões fundamentais levarão a benefícios de longo alcance em toda a ciência, indústria, e a economia da nação. "

Agora que os pesquisadores podem imaginar os catalisadores para a produção de plásticos em resolução atômica, eles irão estudar as relações entre essas estruturas e as propriedades dos plásticos, abrindo o caminho para plásticos mais especializados e sustentáveis.

“Já sabemos que temos que mudar a forma como lidamos com os plásticos no mundo, "disse Petra Specht, segundo autor do estudo e cientista pesquisador no departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da UC Berkeley. "Se você quiser fazer alterações, você precisa saber como funciona o processo. Esperançosamente, nossa nova técnica nos ajudará a ter uma melhor compreensão de como os plásticos se formam, e como podemos fazer materiais mais sustentáveis, " ela adicionou.