Os engenheiros da UD são os principais inventores de uma nova patente para a fabricação de dispositivos piezoelétricos, como sensores e atuadores, usando Nodax, um polímero biodegradável de base biológica.



Todos os anos, são fabricadas mais de 400 milhões de toneladas de plástico, incluindo itens descartáveis, como sacolas de compras e copos. Como esses materiais podem chegar ao meio ambiente sem se degradar por muito tempo, pesquisadores e empresas procuram materiais que ofereçam propriedades físicas semelhantes às dos plásticos convencionais, mas que se biodegradem rapidamente e não causem danos a plantas e animais.

Um polímero inventado, projetado e sintetizado quimicamente por Isao Noda, professor afiliado do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da Faculdade de Engenharia da UD, é um desses materiais alternativos de base biológica e biodegradável. Possibilitado por uma colaboração contínua com John Rabolt, professor Karl W. e Renate Böer em Ciência e Engenharia de Materiais, descobriu-se que este polímero possui propriedades piezoelétricas surpreendentemente altas, o que significa que é capaz de produzir eletricidade quando dobrado ou deformado.

Agora, a equipe de pesquisa baseada em UD recebeu uma patente nos EUA para o uso deste material inovador para produzir dispositivos piezoelétricos. Juntamente com patentes já concedidas em vários outros países, esta conquista abre caminho para uma ampla gama de aplicações potenciais e oportunidades de comercialização.

Produção de polímeros naturais em escala industrial

Enquanto trabalhava como cientista industrial na Procter &Gamble, Noda foi encarregado de encontrar um novo tipo de material biodegradável para fraldas e embalagens descartáveis. Ele começou a pesquisar uma classe de polímeros chamados polihidroxialcanoatos (PHAs), um tipo de poliéster natural produzido por bactérias e outros microorganismos e plantas.

O problema, explicou Noda, era que os PHAs conhecidos na época eram muito duros e quebradiços para serem úteis na maioria das aplicações práticas.

“Eu estava fazendo muitas caracterizações espectroscópicas e percebi que deveríamos ser capazes de encontrar bactérias que pudessem modificar a estrutura molecular dos PHAs de uma maneira particular”, explicou Noda, referindo-se ao comprimento da cadeia do grupo lateral alquil do polímero.

“Esses ramos podem ser metílicos ou etílicos, que não podem ser facilmente derretidos ou processados. Mas, quando você estende esse ramo para três carbonos, ou seja, propil, ou até mais, de repente o material pode ser processado mais facilmente e se torna dúctil. polímero resistente e útil."

Este polímero biodegradável, de nome comercial Nodax, é hoje fabricado em escala industrial pela Danimer Scientific, empresa de biotecnologia focada na criação de materiais alternativos sustentáveis ​​para substituir os plásticos convencionais. A UD também mantém uma parceria contínua com Danimer, que apoiou os recentes esforços de pedido de patente.

Em contraste com a forma como os plásticos padrão são fabricados, o Nodax é produzido em grandes tanques por bactérias que utilizam matérias-primas vegetais. Os polímeros Nodax formulados são então adquiridos por outras empresas para fabricar uma variedade de produtos de uso final, com taxas de biodegradação semelhantes às da celulose ou dos resíduos alimentares.

"A Danimer Scientific foi pioneira na produção comercial de PHAs naturais, oferecendo materiais renováveis ​​e totalmente certificados, biodegradáveis ​​e compostáveis ​​para diversas aplicações de embalagens e serviços de alimentação, como canudos, talheres, revestimentos de papel, cápsulas de café e filmes flexíveis", disse Keith A. . Edwards, vice-presidente de desenvolvimento de negócios da Danimer.

Descobrindo novas propriedades através de pesquisas fundamentais

Mas o trabalho não parou quando os biopolímeros Nodax começaram a ser produzidos em grande escala. Depois de dar uma palestra convidada na UD em 2012, Noda encontrou-se com o colega de longa data Rabolt e decidiu transferir parte do material que acumulou ao longo dos anos para apoiar novos caminhos de investigação fundamental. Noda, que também atuou como vice-presidente sênior da Danimer Scientific de 2013 a 2019 e ainda faz parte do conselho de administração, ingressou na UD como membro afiliado do corpo docente em 2012.

Com esforços liderados por Ph.D. os ex-alunos Liang Gong (agora na 3M), Brian Sobieski (agora na FXI), Changhao Liu (agora na A123 Systems) e o professor de pesquisa em ciência e engenharia de materiais Bruce Chase, além de Noda e Rabolt, descobriu a equipe de pesquisa baseada em UD propriedades ainda mais exclusivas dos PHAs. Isto incluiu a descoberta de que uma das formas do material era altamente piezoelétrica, o que significa que ele retém uma carga elétrica após a aplicação de uma força mecânica.

“Foi uma grande colaboração – tínhamos químicos, reólogos, físicos, a combinação certa de competências para podermos compreender e fazer coisas diferentes com este material único”, disse Rabolt.

Esta descoberta levou o Escritório de Inovação Econômica e Parcerias (OEIP) da UD a solicitar uma patente usando Nodax como um polímero biodegradável para fabricar dispositivos piezoelétricos em 2019; essa patente foi permitida e emitida no início deste ano, com inventores nomeados, incluindo Chase, Noda e Rabolt.

"É emocionante ver os resultados desta colaboração entre a Universidade de Delaware e a Danimer Scientific, que tem o potencial de desencadear uma reação em cadeia de benefícios", disse Julius Korley, vice-presidente associado da OEIP.

"À medida que as empresas incorporam o Nodax em dispositivos úteis ao público, os royalties das patentes voltarão para a Universidade para recompensar os nossos inventores e para promover o investimento em investigação e inovação, com os nossos alunos aprendendo a tornar-se inovadores ao longo do caminho."

Desbloqueando o potencial de um novo polímero piezoelétrico

A descoberta de que o Nodax possui altas propriedades piezoelétricas significa que ele poderia ser potencialmente usado em sensores ou atuadores. O Nodax também poderia servir como um possível substituto para o fluoreto de polivinilideno (PVDF), um material piezoelétrico comum feito de substâncias per e polifluoroalquílicas (PFAS), uma classe de “produtos químicos eternos” que têm sido associados a resultados negativos para a saúde.

Embora este material ainda esteja nos estágios iniciais de desenvolvimento, as possibilidades de trabalhos futuros, tanto em termos de pesquisa fundamental quanto de aplicações potenciais, entusiasmam Noda. “Queremos descobrir propriedades adicionais que ainda não foram exploradas, entender como melhorar o material e adaptar o processamento para escalas industriais e, de modo geral, continuar fazendo pesquisas fundamentais que ajudarão outras empresas em suas aplicações futuras”, disse ele.

“A parte divertida é poder tentar coisas diferentes ao longo do tempo – talvez desenvolver a capacidade ferroelétrica ou piroelétrica do material, coisas assim”, acrescentou Rabolt. "Estamos realmente apenas na ponta do iceberg com este novo material."

A Danimer já trabalhou com parceiros para produzir fibras têxteis utilizando Nodax em substituição a materiais convencionais como PET e polipropileno. A oportunidade de expandir agora para aplicações de fibra piezoelétrica é um desenvolvimento estimulante.

"O futuro dos PHAs como um polímero mais perfeito em muitas aplicações é agora, e a Danimer é novamente pioneira em novas soluções biotecnológicas com grandes parceiros como a UD", disse Edwards.

Fornecido pela Universidade de Delaware