Os pesquisadores de Princeton criaram um novo tipo de hidrogel que é reciclável, mas ainda resistente e estável o suficiente para uso prático (e reutilização).



Como redes flexíveis de cadeias poliméricas impregnadas de água, os hidrogéis possuem excelentes propriedades, incluindo maciez, elasticidade e biocompatibilidade. Conseqüentemente, os materiais moles já encontraram uso generalizado como lentes de contato e curativos para feridas. Os hidrogéis também são muito promissores para sistemas de distribuição de medicamentos, agricultura e embalagens de alimentos, entre outras aplicações.

Infelizmente, os hidrogéis convencionais apresentam problemas de poluição ambiental porque não podem ser efetivamente reciclados ou reprocessados. Os hidrogéis também se degradam com o uso a longo prazo. Os pesquisadores disseram que essas limitações derivam da estrutura dos materiais.

Os hidrogéis convencionais dependem de ligações químicas para sua firmeza e capacidade de absorver água e outros solventes. A nível químico, estas ligações são reticuladas, o que significa que as ligações se formam entre diferentes moléculas de polímero dentro do hidrogel. Essa reticulação, característica de resinas submetidas à cura ou vulcanização da borracha, confere flexibilidade e resistência aos hidrogéis. Mas também torna extremamente difícil separá-los em componentes para reciclagem.

A principal autora do estudo, Xiaohui Xu, pesquisadora de pós-doutorado, trabalhou anteriormente com hidrogéis para uso na purificação de água e se perguntou se poderia criar um hidrogel mais ambientalmente sustentável. Xu e seus colegas adotaram uma nova abordagem para a construção de hidrogéis. Em vez de depender de ligações químicas para ligar diferentes polímeros, os investigadores decidiram aproveitar a separação de fases, um fenómeno familiar em que líquidos misturados, como óleo e água, se separam em componentes.

"Os hidrogéis oferecem enormes benefícios sociais, mas a sua falta de sustentabilidade tornou-se um problema significativo", disse Xu, pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Rodney Priestley, professor de Engenharia Química e Biológica Pomeroy e Betty Perry Smith em Princeton. "Neste estudo, mostramos como aproveitar as vantagens da separação de fases pode levar a novos tipos de hidrogéis que são duráveis ​​e recicláveis ​​e ainda possuem boas propriedades mecânicas."

Os pesquisadores descreveram o processo em um estudo intitulado "Géis Supramoleculares Separados por Fases Resistentes e Recicláveis ​​por meio de um Ciclo de Desidratação-Hidratação", publicado no JACS Au. em setembro.

Para fazer o novo hidrogel, os pesquisadores formularam polímeros com relação complexa e variada com a água. As moléculas de polímero são longas cadeias de moléculas menores (chamadas monômeros). Os pesquisadores criaram polímeros que gostam de água em algumas seções da cadeia e repelem a água em outras seções. Quando adicionaram água à mistura de polímeros, partes dos polímeros absorveram a água, enquanto outras partes a repeliram. Essa tensão deu ao hidrogel sua resistência estrutural.

Ao contrário dos hidrogéis convencionais, a resistência é baseada nas características físicas e não nas ligações químicas entre os polímeros. Portanto, reciclar o hidrogel em seus polímeros componentes é relativamente fácil, assim como desidratar e reidratar repetidamente o material.

Além disso, disse Xu, o processo permite que os engenheiros adaptem as características de um hidrogel ajustando os componentes dos polímeros. A equipe de pesquisa aproveitou isso para criar um hidrogel que poderia ser cortado e moldado no formato desejado. Para a pesquisa, Xu fez um polvo.

"Xiaohui usou a separação de fases como uma forma de controlar a morfologia e, em última análise, as propriedades desses materiais de hidrogel", disse Priestley, autor sênior do artigo e reitor da Escola de Pós-Graduação de Princeton. "Este trabalho demonstra uma abordagem ecologicamente correta para a fabricação de hidrogéis resistentes e reutilizáveis."

Os pesquisadores de Princeton testaram o novo hidrogel, testando sua estabilidade em condições extremas ácidas e alcalinas e no ar e na água. Em geral, o hidrogel resistiu e teve o desempenho esperado.

Com testes e desenvolvimento adicionais, o novo material poderá tornar as aplicações existentes e emergentes de hidrogéis – como músculos artificiais e robôs macios para operação segura perto de humanos – mais sustentáveis ​​e ecologicamente corretas.

“Nossa abordagem geral para hidrogéis recicláveis ​​poderia ajudar a expandir suas aplicações em todos os tipos de áreas”, disse Xu. “Os benefícios dos hidrogéis agora podem ser melhor realizados sem os custos ambientais”.

Xu disse que, a longo prazo, a equipa de investigação está a explorar se os hidrogéis poderão eventualmente servir como substitutos dos plásticos em muitas aplicações. Se for esse o caso, os hidrogéis avançados poderão tornar-se uma solução reciclável para a poluição plástica que ameaça os oceanos.

Mais informações: Xiaohui Xu et al, Géis Supramoleculares Separados por Fase Resistentes e Recicláveis ​​por meio de um Ciclo de Desidratação-Hidratação, JACS Au (2023). DOI:10.1021/jacsau.3c00326
Fornecido pela Universidade de Princeton