Imagine que você é um astronauta em uma caminhada no espaço. Você está fazendo seu trabalho quando de repente recebe um alerta:seu traje está vazando oxigênio. Em algum lugar há um buraco em seu terno, um buraco tão pequeno que você não consegue encontrar.

Alguns materiais não devem quebrar porque os resultados seriam catastróficos. E se em vez de quebrar, esses materiais podem endurecer em um ponto fraco? E se aquele buraco em sua roupa de astronauta pudesse se curar sozinho?

Os sistemas biológicos lidam com esse problema o tempo todo. Às vezes, os dedos ficam com calosidades para não serem cortados. Os calosidades se formam quando o estresse repetido faz com que a pele endureça. A pele dura oferece resistência à quebra. Mas às vezes os dedos são cortados e a pele se cura, formando uma crosta na superfície.

"Como o dispositivo sabe o que crescer novamente e consertar?" pergunta Rebecca Schulman da Universidade Johns Hopkins. "É possível evitar totalmente o problema de autocura?" A última pergunta é a mesma que a pele pergunta:você precisa formar um calo ou uma crosta?

O futuro da ciência dos materiais cobre uma miscelânea de aplicações:baterias que se auto-reparam, turbinas eólicas robustas o suficiente para suportar as forças extremas colocadas sobre elas, ou dispositivos de longa duração que requerem apenas a substituição de pequenas peças de vez em quando. Antes de chegar a esses aplicativos, essas questões científicas básicas precisam ser respondidas. Essas questões são uma das razões pelas quais o Departamento de Energia (DOE) apóia a pesquisa nessa área em universidades e laboratórios nacionais em todo o país.

Considere uma usina nuclear. Os materiais de construção em torno do núcleo do reator devem resistir ao calor extremo e à radiação extrema. Se os materiais de construção em torno das usinas de energia pudessem reagir e se corrigir quando experimentando alto calor ou radiação, então, eles poderiam consertar o dano antes que se tornasse um problema.

"Os materiais são essenciais para nos ajudar a gerenciar nosso consumo de energia e tornar as coisas sustentáveis, "disse Michael Strano, do Massachusetts Institute of Technology (MIT), que lidera um esforço DOE no MIT em materiais de autocura que utilizam dióxido de carbono atmosférico.

Evitar a necessidade de substituir completamente os materiais é desejável não apenas do ponto de vista de custo-benefício, mas também do ponto de vista da sustentabilidade. "Como ciência, queremos fazer materiais e coisas melhores, "disse Tomonori Saito do Laboratório Nacional Oak Ridge do DOE (ORNL).

Melhores materiais significam menos desperdício e menos necessidade de substituir itens quebrados e extintos. A dificuldade surge quando se tenta fazer sinteticamente o que a natureza faz sem pensar. Em geral, existem duas maneiras de resolver esse problema:tornar os materiais resistentes para que não quebrem, ou fazer materiais que curam a si próprios quando se quebram.

Prevenindo quebra

Uma abordagem é os materiais reagirem a um estressor constante no ambiente. Digamos que você esteja batendo repetidamente na vidraça de uma janela com um martelo. E se o vidro "souber" que fica mais forte antes de quebrar? O mesmo tipo de processo pode ser aplicado a áreas de materiais flexíveis, como os joelhos do seu jeans. À medida que o estresse repetido acontece - como dobrar os joelhos ao caminhar - o material fica mais espesso ao redor da junta e se reforça. Esse processo começa examinando os mecanismos de autocorreção e proteção encontrados no mundo natural.

"Quando biólogos ou biofísicos entendem a escala molecular [do sistema], nós vemos isso e pensamos, "Oh, isso é legal. Podemos projetar um sistema sintético?" "Disse Zhibin Guan, da Universidade da Califórnia, Irvine.

A escala química ou celular conta uma história vibrante sobre o processo de correção dos sistemas e, as vezes, protegendo-se.

"Em biologia, muitos sistemas têm uma conexão gradiente de tecidos duros para tecidos moles. A interface de hard para soft é crítica, "disse Guan. Sem a interface de gradiente adequada entre os diferentes tipos de tecido, grandes forças externas podem levar a uma quebra na conexão. O modo como um sistema se ajusta e responde a uma força externa produz esse contato protetor entre os tecidos duros e moles.

O estudo de Guan foi inspirado na pele externa dura de um verme poliqueta. A mandíbula do verme tem uma pele notavelmente dura. A transição do corpo mole do verme para a dura pele externa intrigou o grupo de pesquisa de Guan. A interface difícil acontece aumentando a ligação química entre as proteínas e os íons metálicos na mandíbula do verme. Usando ligação seletiva, a mandíbula endurece - tornando-a capaz de suportar a força de uma mordida.

Guan estuda essa interface entre os tecidos duros e moles para replicá-la em materiais sintéticos. No laboratório, eles pegam polímeros que consistem em longos, repetir estruturas químicas e introduzir íons metálicos para simular a composição da mandíbula do verme. Se o material pudesse sentir a área enfraquecida e reagir quimicamente a ela, fortalecendo o ponto fraco, o material não quebraria.

No início, o ponto enfraquecido se forma quando ocorre um microdano. Tanto na mandíbula do verme quanto em materiais sintéticos, esse dano acontece no nível molecular. O estresse causa a quebra de pequenas ligações entre os íons metálicos e as proteínas. Esses laços, tênue para começar, às vezes reforma.

A dificuldade surge quando se tenta encontrar o meio termo entre resistente o suficiente para não quebrar, mas não tão resistente que o material se torne inflexível. Se o material continua a endurecer à medida que passa por estresse, eventualmente chegará ao ponto em que é completamente rígido. Então, estará sujeito ao fracasso por um motivo diferente.

Idealmente, materiais resistentes reverteriam esse processo de espessamento periodicamente para evitar que a rigidez se tornasse permanente. Compreender a química por trás dos processos biológicos é a chave para sinalizar quando um material pode relaxar. Até então, a ameaça de uma falha catastrófica teria passado. O material pode reagir novamente quando outro estressor afetar o sistema.

Contudo, como Schulman observou, há várias perguntas a serem respondidas antes de chegarmos a esse ponto. Conseguir um material que responda ao estresse é difícil, mesmo em um laboratório. Embora os sistemas biológicos tenham métodos para comunicar os danos, a sinalização química em sistemas sintéticos é mais difícil do que em sistemas vivos. Os sistemas vivos têm estruturas organizadas inteiras dedicadas à sinalização. Os materiais sintéticos geralmente consistem em um ou apenas alguns tipos de unidades químicas sem uma forma integrada de desencadear esse endurecimento. Portanto, a segunda abordagem envolve a fabricação de materiais que curam as quebras quando elas acontecem.

Consertando uma pausa

Uma falha catastrófica não precisa ser grande e dramática para causar problemas sérios. Veja o exemplo do traje espacial. Uma pequena ruptura no material do traje pode ser catastrófica para o astronauta; tornar o traje capaz de se curar apresenta uma solução possível.

O que exatamente torna uma autocura material? Como a forma como a pele se cura, esses materiais usam propriedades químicas para "curar" a si próprios.

Em materiais sintéticos, a autocura envolve reparo. As ligações químicas precisam ser capazes de se reformar, especialmente após falhas catastróficas. Uma vez que o dano faz com que o material falhe, ele deve ser capaz de costurar-se novamente, assim como faz uma ferida na pele.

Esse tipo de reparo acontece no nível molecular. A pesquisa de Saito se concentra no desenvolvimento de romance, polímeros de autocura e com o objetivo de compreender esta resposta química. Saito pega uma folha de polímero especialmente preparado e a rasga. No nível químico, esses polímeros trabalham para reformar ligações e costurar-se. A chave é entender o gatilho químico que lhes diz para se costurarem.

Para usar isso sinteticamente, Schulman se inspira nas células. "As células comunicam o que precisa estar em um determinado local, "Ela disse." Eles usam sinalização sem fio através de produtos químicos. "

Traduzir essa reação de todo o sistema em um material sintético tem sido um desafio. Enquanto em sistemas biológicos toda uma rede de sinais reage a quebras, um polímero sintético geralmente é feito de apenas alguns componentes. Como o material pode se comunicar com os componentes químicos para serem costurados é uma proposição particularmente difícil. O material teria que detectar danos ou quebra e reagir de acordo.

Schulman observou que os materiais sintéticos não têm a resiliência dos sistemas biológicos. Quando uma peça falha, todo o sistema freqüentemente falha. "As células podem viver toda a vida do organismo, mas as proteínas giram muitas vezes dentro da célula, " ela disse.

Enquanto a ciência dos materiais com foco na autocura atinge esse nível químico extremo, a imagem maior mostra as aplicações de materiais de autocura e a maneira como essas coisas podem mudar até mesmo ideias fundamentais sobre como a infraestrutura funciona.

Strano gosta de comparar as possibilidades dos materiais de autocura com a maneira como o tronco de uma árvore cresce. As árvores respiram dióxido de carbono e nutrientes do solo e os usam para construir o tronco. Ao puxar seus materiais de construção do ar, eles têm acesso constante.

"O material pode ficar mais forte com o tempo, "Strano disse. Quando os materiais são cercados por seus materiais de construção, pode não haver limite de quanto tempo eles podem durar.