Acidentes acontecem todos os dias e, se você deixar cair seu smartwatch ou se ele for atingido com muita força, o dispositivo provavelmente não funcionará mais. Mas agora, os pesquisadores relatam um material macio e flexível com “durabilidade adaptativa”, o que significa que fica mais forte quando atingido ou esticado. O material também conduz eletricidade, tornando-o ideal para a próxima geração de wearables ou sensores médicos personalizados.



Os pesquisadores apresentarão seus resultados hoje na reunião de primavera da American Chemical Society (ACS).

A inspiração para o novo material veio de uma mistura comumente usada na culinária – uma pasta de amido de milho.

“Quando mexo o amido de milho e a água lentamente, a colher se move facilmente”, explica Yue (Jessica) Wang, cientista de materiais e investigadora principal do projeto. "Mas se eu tirar a colher e depois esfaquear a mistura, a colher não volta. É como esfaquear uma superfície dura." Essa pasta, que ajuda a engrossar ensopados e molhos, tem durabilidade adaptativa, passando de maleável a forte, dependendo da força aplicada. A equipe de Wang decidiu imitar essa propriedade em um material condutor sólido.

Muitos materiais, como os metais, que conduzem eletricidade são duros, rígidos ou quebradiços. Mas os pesquisadores desenvolveram maneiras de fazer versões macias e dobráveis ​​usando polímeros conjugados – moléculas longas, semelhantes a espaguete, que são condutoras. No entanto, a maioria dos polímeros flexíveis quebram-se se sofrerem impactos repetidos, rápidos ou grandes. Assim, a equipe de Wang na Universidade da Califórnia, Merced, decidiu selecionar a combinação certa de polímeros conjugados para criar um material durável que imitasse o comportamento adaptativo das partículas de amido de milho na água.

Inicialmente, os pesquisadores fizeram uma solução aquosa de quatro polímeros:ácido poli (2-acrilamido-2-metilpropanossulfônico) longo, semelhante a um espaguete, moléculas mais curtas de polianilina e uma combinação altamente condutora conhecida como poli (3,4-etilenodioxitiofeno) poliestireno sulfonato ( PEDOT:PSS). Depois de espalhar uma fina camada da mistura e secar para formar uma película, a equipe testou as propriedades mecânicas do material elástico.

Eles descobriram que, em vez de se romper devido a impactos muito rápidos, ele se deformava ou se esticava. Quanto mais rápido o impacto, mais elástico e resistente o filme se torna. E surpreendentemente, apenas uma adição de 10% de PEDOT:PSS melhorou a condutividade e a durabilidade adaptativa do material. Wang observa que este resultado foi inesperado porque, por si só, o PEDOT e o PSS não ficam mais difíceis com impactos rápidos ou elevados.

Os quatro polímeros, dois com cargas positivas e dois com cargas negativas, emaranham-se como uma grande tigela de espaguete com almôndegas, explica Di Wu, pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Wang que apresenta o trabalho no encontro.

“Como as moléculas carregadas positivamente não gostam de água, elas se agregam em microestruturas semelhantes a almôndegas”, diz Wu. A hipótese da equipe é que o comportamento adaptativo vem das almôndegas que absorvem a energia de um impacto e se achatam ao serem atingidas, mas não se separam completamente.

No entanto, Wu queria ver como a adição de pequenas moléculas poderia criar um material composto que fosse ainda mais resistente quando esticado ou largado rapidamente. Como todos os polímeros tinham cargas, a equipe escolheu moléculas com cargas positivas, negativas ou neutras para testar. Em seguida, avaliaram como os aditivos modificaram as interações dos polímeros e impactaram a durabilidade adaptativa de cada material.

Os resultados preliminares indicaram que as nanopartículas carregadas positivamente feitas de 1,3-propanodiamina foram o melhor aditivo, conferindo a funcionalidade mais adaptativa. Wu diz que esse aditivo enfraqueceu as interações dos polímeros que formam as "almôndegas", tornando-as mais fáceis de separar e deformar quando atingidas, e fortaleceu os "fios de espaguete" fortemente emaranhados.

"Adicionar moléculas carregadas positivamente ao nosso material tornou-o ainda mais forte em taxas de estiramento mais altas", diz Wu.

No futuro, diz Wang, a equipe passará a demonstrar a aplicabilidade de seu material condutor leve. As possibilidades incluem wearables flexíveis, como pulseiras integradas e sensores traseiros para smartwatches, e eletrônicos flexíveis para monitoramento da saúde, como sensores cardiovasculares ou monitores contínuos de glicose.

Além disso, a equipe formulou uma versão anterior do material adaptativo para impressão 3D e produziu uma réplica da mão de um membro da equipe, demonstrando o potencial de incorporação em próteses eletrônicas personalizadas. Wang acredita que a nova versão composta também deve ser compatível com impressão 3D para criar qualquer formato desejado.

A durabilidade adaptativa do material significa que os futuros dispositivos biossensores poderão ser flexíveis o suficiente para o movimento humano regular, mas resistirão a danos se forem acidentalmente atingidos ou atingidos com força, explica Wang. "Há uma série de aplicações potenciais e estamos entusiasmados em ver aonde esta propriedade nova e não convencional nos levará."

Fornecido pela American Chemical Society