Grandes químicos descobriram maneiras de combinar carbono, hidrogênio, oxigênio e nitrogênio em todos os tipos de plástico:embalagens de alimentos à prova de vazamentos, peças de automóveis resistentes ao calor, equipamentos de proteção individual duráveis ​​– a lista é longa.



O verdadeiro desafio para um cientista de materiais no século 21 é encontrar a receita perfeita para tornar os polímeros mais sustentáveis ​​e com melhor desempenho ao mesmo tempo – especialmente se você tiver apenas produtos petroquímicos em mãos.

"O petróleo compreende em grande parte hidrocarbonetos - essencialmente arranjos de carbono e hidrogênio quimicamente ligados entre si que possuem algumas propriedades bastante notáveis ​​e vantajosas", disse Brandon Knott, cientista do Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL).

"Mas os hidrocarbonetos carecem de heteroátomos como o oxigênio e o nitrogênio, e pode ser necessária uma energia significativa para adicioná-los na fabricação de polímeros que precisam de uma funcionalidade mais ampla do que a fornecida pelos hidrocarbonetos."

Uma boa solução, explicou Knott, é adicionar biomassa e resíduos ricos em oxigênio e nitrogênio à lista de ingredientes. Talos de milho, algas e até mesmo lixo contêm ligações químicas extras que muitas vezes proporcionam aos químicos maior flexibilidade para alcançar propriedades específicas.

Mas encontrar a receita perfeita para sustentabilidade e desempenho incomparável?

Uma ferramenta de aprendizado de máquina NREL, PolyID:Polymer Inverse Design, torna mais fácil encontrar o equilíbrio. Usando inteligência artificial, a ferramenta pode prever propriedades de materiais com base na estrutura molecular. Isso permite examinar milhões de possíveis designs de polímeros para criar uma pequena lista de candidatos para uma determinada aplicação.

A ferramenta é discutida em profundidade em Macromoléculas .

Algoritmo inteligente conecta propriedades de materiais à estrutura molecular

O algoritmo por trás do PolyID é um avanço de última geração para uma abordagem fundamental conhecida como “teoria da contribuição de grupo”. A ferramenta cria associações entre arranjos de oxigênio, hidrogênio, carbono e outros elementos e propriedades de materiais para prever atributos como elasticidade, tolerância ao calor e desempenho do selante.

Com uma biblioteca crescente de conexões entre as estruturas moleculares dos polímeros e suas propriedades conhecidas, ele “aprende” a prever como novos polímeros podem ser projetados para atingir características físicas específicas.

“Se você fizer isso com alguns milhares de polímeros para treinar o algoritmo, você começará a obter previsões realmente precisas para estruturas que não foram vistas antes pelo algoritmo e talvez não tenham sido feitas antes”, explicou Nolan Wilson, o líder autor no papel.

Com milhares de polímeros em sua biblioteca de referência, a ferramenta permite que os cientistas trabalhem retroativamente na busca por novos designs de polímeros. Eles podem identificar primeiro as propriedades desejadas e selecionar projetos de polímeros potenciais.

Estudo de caso:Encontrando alternativas biodegradáveis ​​para os atuais filmes para embalagens de alimentos

Por exemplo, os cientistas do NREL usaram o PolyID para examinar rapidamente mais de 15.000 polímeros vegetais em busca de alternativas biodegradáveis ​​aos atuais filmes para embalagens de alimentos. Feitos principalmente de polietileno de alta densidade – um material à base de petróleo – os filmes para embalagens são frequentemente projetados para suportar altas temperaturas e criar uma forte vedação de vapor para manter os alimentos frescos.

A equipe do NREL priorizou essas propriedades no PolyID, ao mesmo tempo em que adicionou outros atributos desejáveis, incluindo biodegradabilidade e menor pegada de gases de efeito estufa. A ferramenta gerou uma pequena lista de sete designs de polímeros que poderiam ser feitos a partir de biomassa.

Após mais testes em laboratório, a equipe confirmou as previsões da ferramenta. Não só todos os sete polímeros resistiriam a altas temperaturas, mas também poderiam fazê-lo, ao mesmo tempo que reduziriam as emissões líquidas de gases com efeito de estufa e manteriam os alimentos frescos durante longos períodos de tempo.

Uma ferramenta para adaptar polímeros às necessidades da indústria

Com milhões de materiais únicos possíveis a partir de biomassa, resíduos e matérias-primas convencionais, priorizar a sustentabilidade no projeto de novos polímeros tem sido um desafio, mesmo para os químicos mais brilhantes.

Isso ocorre à medida que os consumidores exigem cada vez mais dos produtos com os quais interagem. Muitas empresas estão a responder inovando os seus produtos para reduzir o desperdício, promover a reciclagem e diminuir a sua pegada de carbono. Mas pode ser um ato de equilíbrio complicado atingir essas metas sem sacrificar o desempenho do produto.

Onde a PolyID mais brilha, de acordo com Wilson, é a sua capacidade de posicionar o desempenho ao lado de uma infinidade de outras considerações de sustentabilidade.

“Alguns deles podem servir como substitutos diretos de polímeros de petróleo comparáveis”, explicou. “Mas, em muitos casos, são ainda melhores em termos de desempenho e sustentabilidade.”

Dessa forma, as embalagens de alimentos podem fazer mais do que melhorar a vida útil. Os revestimentos de um par de esquis não ajudam apenas a afastar o frio e a neve. O invólucro termoplástico de um capacete de bicicleta pode proteger mais do que o seu cérebro. Eles também podem fazer isso e, ao mesmo tempo, apoiar um ambiente saudável.

Mais informações: A. Nolan Wilson et al, PolyID:Inteligência Artificial para Descobrir Polímeros Sustentáveis ​​e com Vantagem de Desempenho, Macromolecules (2023). DOI:10.1021/acs.macromol.3c00994
Fornecido pelo Laboratório Nacional de Energia Renovável