p Aranhas e bichos-da-seda são mestres da ciência dos materiais, mas os cientistas estão finalmente se atualizando. As sedas estão entre os materiais mais resistentes conhecidos, mais forte e menos frágil, libra por libra, do que o aço. Agora, os cientistas do MIT desvendaram alguns de seus segredos mais profundos em pesquisas que podem levar à criação de materiais sintéticos que se duplicam, ou mesmo exceder, as propriedades extraordinárias da seda natural. p Markus Buehler, o Esther e Harold E. Edgerton Professor Associado no Departamento de Engenharia Civil e Ambiental do MIT, e sua equipe estuda as propriedades fundamentais dos materiais e como esses materiais falham. Com seda, isso significava usar modelos de computador que podem simular não apenas as estruturas das moléculas, mas exatamente como elas se movem e interagem umas em relação às outras. Os modelos ajudaram os pesquisadores a determinar os mecanismos moleculares e atômicos responsáveis pelas notáveis propriedades mecânicas do material.
p A combinação de resistência e ductilidade da seda - sua capacidade de dobrar ou esticar sem quebrar - resulta de um arranjo incomum de ligações atômicas que são inerentemente muito fracas, Buehler e sua equipe encontraram. Aluno de doutorado Sinan Keten, O associado de pós-doutorado Zhiping Xu e a estudante de graduação Britni Ihle são co-autores de um artigo sobre a pesquisa a ser publicado em 14 de março na revista.
Materiais da Natureza .
p As sedas são feitas de proteínas, incluindo alguns que formam finos, cristais planares chamados de folhas beta. Essas folhas estão conectadas entre si por meio de ligações de hidrogênio - entre os tipos mais fracos de ligações químicas, diferente, por exemplo, as ligações covalentes muito mais fortes encontradas na maioria das moléculas orgânicas. A equipe de Buehler realizou uma série de simulações de computador em nível atômico que investigaram os mecanismos de falha molecular na seda. "Cristais pequenos, porém rígidos, mostraram a capacidade de reformar rapidamente suas ligações quebradas, e, como resultado, falhe 'graciosamente' - isto é, gradualmente, em vez de repentinamente, "explica a estudante de graduação Keten.
p "Na maioria dos materiais de engenharia" - cerâmica, por exemplo - "alta resistência vem com fragilidade, "Buehler diz." Uma vez que a ductilidade é introduzida, materiais tornam-se fracos. "Mas não a seda, que tem alta resistência, apesar de ser construído a partir de blocos de construção inerentemente fracos. Acontece que é porque esses blocos de construção - os minúsculos cristais de folha beta, bem como os filamentos que os unem - estão dispostos em uma estrutura que se assemelha a uma pilha alta de panquecas, mas com as estruturas cristalinas dentro de cada panqueca alternando em sua orientação. Esta geometria particular de minúsculos nanocristais de seda permite que as ligações de hidrogênio funcionem cooperativamente, reforçando cadeias adjacentes contra forças externas, o que leva à excelente extensibilidade e resistência da seda de aranha.
p Uma descoberta surpreendente do novo trabalho é que há uma dependência crítica das propriedades da seda no tamanho exato desses cristais de folha beta dentro das fibras. Quando o tamanho do cristal é de cerca de três nanômetros, o material tem suas características ultra-fortes e dúcteis. Mas deixe esses cristais crescerem um pouco além de cinco nanômetros, e o material se torna fraco e quebradiço.
p Buehler diz que o trabalho tem implicações muito além de apenas compreender a seda. Ele observa que as descobertas podem ser aplicadas a uma classe mais ampla de materiais biológicos, como madeira ou fibras vegetais, e materiais bioinspirados, como novas fibras, fios e tecidos ou materiais de reposição de tecidos, para produzir uma variedade de materiais úteis de forma simples, elementos comuns. Por exemplo, ele e sua equipe estão estudando a possibilidade de sintetizar materiais que tenham uma estrutura semelhante à da seda, mas usando moléculas que têm uma força inerentemente maior, como nanotubos de carbono.
p O impacto de longo prazo desta pesquisa, Buehler diz, será o desenvolvimento de um novo paradigma de design de material que permite a criação de materiais altamente funcionais em abundância, materiais baratos. Isso seria um desvio da abordagem atual, onde laços fortes, constituintes caros, e processamento intensivo de energia (em altas temperaturas) são usados para obter materiais de alto desempenho.
p Peter Fratzl, professor do departamento de biomateriais do Instituto Max Planck de Colóides e Interfaces em Potsdam, Alemanha, que não estava envolvido neste trabalho, afirma que "a força desta equipe é sua abordagem teórica pioneira em várias escalas" para analisar materiais naturais. Ele acrescenta que esta é "a primeira evidência da modelagem teórica de como as ligações de hidrogênio, tão fracos quanto eles podem ser, pode fornecer alta resistência e tenacidade se dispostos de forma adequada dentro do material. "
p Professor de biomateriais Thomas Scheibel da Universidade de Bayreuth, Alemanha, que também não estava envolvido neste trabalho, diz que o trabalho de Buehler é do "mais alto calibre, "e vai estimular muitas pesquisas futuras. A abordagem da equipe do MIT, ele diz, "fornecerá uma base para uma melhor compreensão de certos fenômenos biológicos até agora não compreendidos."
