Toda matéria consiste em uma ou mais fases - regiões do espaço com estrutura e propriedades físicas uniformes. As fases comuns de H2O (sólido, líquido e gás), também conhecido como gelo, água e vapor, são bem conhecidos. De forma similar, embora menos familiar, possivelmente, materiais poliméricos também podem formar diferentes fases sólidas ou líquidas que determinam suas propriedades e utilidade final. Isso é especialmente verdadeiro para copolímeros em bloco, as macromoléculas de automontagem criadas quando uma cadeia de polímero de um tipo ("Bloco A") está quimicamente conectada com a de um tipo diferente ("Bloco B").

"Se você quiser um copolímero em bloco que tenha uma certa propriedade, você escolhe a fase certa para um determinado aplicativo de interesse, "explicou Chris Bates, professor assistente de materiais na Faculdade de Engenharia da UC Santa Bárbara. “Para a borracha nos sapatos, você quer uma fase; para fazer uma membrana, você quer um diferente. "

Apenas cerca de cinco fases foram descobertas nos copolímeros em bloco mais simples. Encontrar uma nova fase é raro, mas Bates e uma equipe de outros pesquisadores da UC Santa Barbara, incluindo os professores Glenn Fredrickson (engenharia química) e Craig Hawker (materiais), Morgan Bates, cientista da equipe e diretor assistente de tecnologia do Dow Materials Institute da UCSB, e o pesquisador de pós-doutorado Joshua Lequieu, fiz exatamente isso.

Suas descobertas são publicadas no Proceedings of the National Academy of Sciences .

Cerca de 12 meses atrás, Morgan Bates estava fazendo um trabalho experimental em polímeros que ela havia sintetizado no laboratório, num esforço, ela disse, "para entender os parâmetros fundamentais que governam a automontagem de copolímeros em bloco, examinando o que acontece quando você ajusta a química em bloco."

Existem infinitas possibilidades para a química dos blocos "A" e "B", de acordo com Chris Bates. "A química sintética moderna nos permite escolher basicamente qualquer tipo de polímero A e conectá-lo a um bloco B diferente, "disse ele." Dado este vasto espaço de design, o verdadeiro desafio é descobrir os botões mais importantes para girar essa automontagem de controle. "

Morgan Bates estava tentando entender essa relação entre química e estrutura.

"Eu tinha ajustado quimicamente um parâmetro relacionado ao que é chamado de 'assimetria conformacional, 'que descreve como os dois blocos preenchem o espaço, "ela lembrou do processo que levou à descoberta." Não estávamos necessariamente tentando encontrar uma nova fase, mas pensamos que talvez descobriríamos algum novo comportamento. Nesse caso, os blocos A e B que são covalentemente amarrados preenchem o espaço de maneira muito diferente, e esse parece ser o parâmetro subjacente que dá origem a alguma automontagem única. "

Depois de criar os copolímeros em bloco, ela os levou para a Fonte Avançada de Fótons no Laboratório Nacional de Argonne, em Illinois, onde uma técnica chamada "espalhamento de raios-X de baixo ângulo" foi usada para caracterizá-los. O processo produz uma assinatura bidimensional de raios-X dispersos, dispostos em anéis concêntricos. O posicionamento relativo e a intensidade dos anéis indicam uma fase particular. Morgan precisava viajar para um laboratório nacional, porque o processo requer raios X mais poderosos do que o que pode ser produzido no campus.

Depois desse trabalho, disse Chris Bates, "Usando o conhecimento da cristalografia, você pode interpretar os dados de dispersão e produzir uma imagem como se estivesse olhando para a estrutura com os olhos. E neste caso, os dados eram de tão alta qualidade que pudemos fazer isso de forma inequívoca. "

Morgan Bates lembrou que quando ela examinou o padrão de raios-X, uma coisa estava inequivocamente clara:"Parecia diferente. Eu pensei, 'O que é aquilo?'"

Era, claro, sua fase recém-descoberta, conhecido como A15. "Com esses tipos de copolímeros em bloco AB, há apenas um punhado de fases que as pessoas observaram anteriormente, e encontramos outro, que adiciona à paleta de opções possíveis do ponto de vista de design, "Chris disse.

“Dentre as formas de categorizar estruturas, esta fase pertence a uma classe conhecida como 'tetraedricamente compactado', "acrescentou Lequieu, um especialista em simulações de computador que modelou o comportamento de fase de polímeros. "A fase que encontramos nos copolímeros em bloco foi observada pela primeira vez em 1931 com um alótropo [ou forma] de tungstênio. Mas, nesse caso, A15 se forma a partir de átomos de metal, que criam uma estrutura muito pequena na escala de comprimento atômico. Nossos copolímeros em bloco adotam a mesma estrutura, mas em uma escala de comprimento duas ordens de magnitude maior, e, claro, nenhum átomo de metal está envolvido.

"Se você fosse olhar para ambos com um microscópio, " Ele continuou, "suas estruturas seriam iguais, mas apenas em tamanhos diferentes. É fascinante que a natureza opte por usar os mesmos motivos estruturais para materiais completamente diferentes com química e física totalmente não relacionadas. "

O projeto demonstra a facilidade de, e propensão para, colaboração entre pesquisadores da UC Santa Barbara. Tudo começou com uma nova química desenvolvida por Hawker e Bates para ajustar as propriedades dos materiais, que foi seguido pelos resultados de caracterização inesperados de Morgan. "De lá, fomos até Josh e dissemos a ele que havia algo estranho nos experimentos que não esperávamos e perguntamos por quê, "Chris Bates disse. Lequieu então trabalhou com Fredrickson para desenvolver as simulações de computador.

"Houve uma troca muito boa de idas e vindas neste projeto, "Lequieu disse." Foi feito um experimento que foi difícil de entender, então realizamos simulações para explicá-lo. Morgan então fez mais experimentos, informado pelos resultados das simulações iniciais, e observou que os cálculos eram realmente preditivos. As fases observadas experimentalmente apareceram exatamente onde as simulações previam. Em alguns lugares, no entanto, os experimentos e simulações discordaram, então, iteramos várias vezes para melhorar os modelos e realmente entender as sutilezas envolvidas. "

"Seguindo em frente, "adicionou Chris Bates, "nossa equipe continua integrando síntese e teoria de materiais em busca de um comportamento de fase mais exclusivo."

Lequieu descreveu o ciclo de feedback do experimento à simulação à teoria e vice-versa como "uma espécie de sonho da ciência dos materiais moderna. Morgan faz muito trabalho para fazer essas amostras. É muito mais fácil se alguém prever os resultados em um computador e puder dizer, 'Aqui está um subconjunto de polímeros para sintetizar que deve formar a estrutura desejada.' Essa abordagem chamada de 'design inverso' poupa muito tempo e esforço. "

Em termos de natureza, recorrendo a projetos preferenciais para materiais não relacionados de outra forma, um pouco de história é digno de nota. Em 1887, Lord Kelvin - aquele das unidades homônimas de temperatura absoluta - estava trabalhando no que mais tarde veio a ser conhecido como o "problema de Kelvin". Foi um esforço determinar como o espaço poderia ser dividido em células de igual volume com a menor área de superfície entre elas. Sua solução proposta, que indicou a espuma de bolha mais eficiente, ficou conhecido como a "estrutura Kelvin".

Durou cerca de cem anos, mas em 1994 mostrou-se incorreto. Kelvin escolheu o que poderia ser chamado de "Estrutura A, ", mas uma equipe de cientistas britânicos mostrou que a" Estrutura B "era ainda melhor. Desde então, A Estrutura B ganhou fama nos círculos científicos e até muito além, aparecendo, por exemplo, na forma de bolhas gigantes que servem como elementos arquitetônicos funcionais e elementos de design no telhado do Centro Aquático Nacional de Pequim construído para as Olimpíadas de 2008.

Acontece que a nova fase descoberta pelos pesquisadores neste projeto, A15, é a Estrutura B, confirmando mais uma vez que a natureza gosta de um design de sucesso anterior.