p (Phys.org) —Quando a perna de uma cadeira quebra ou um telefone celular se quebra, deve ser reparado ou substituído. Mas e se esses materiais pudessem ser programados para se regenerar, reabastecendo os componentes danificados ou ausentes, e assim estender sua vida útil e reduzir a necessidade de reparos caros? p Esse potencial agora é possível de acordo com pesquisadores da Escola de Engenharia Swanson da Universidade de Pittsburgh, que desenvolveram modelos computacionais para projetar um novo gel de polímero que permitiria que materiais complexos se regenerassem. O artigo, "Aproveitando Nanobastões Interfacialmente Ativos para Regenerar Géis de Polímero Separados", foi publicado em 19 de novembro na revista American Chemical Society Nano Letras .

p O investigador principal é Anna C. Balazs, PhD, Distinto Robert da Escola Swanson v. d. Luft Professor de engenharia química e de petróleo, e os co-autores são Xin Yong, PhD, associado de pós-doutorado, quem é o autor principal do artigo; Olga Kuksenok, PhD, professor associado de pesquisa; e Krzysztof Matyjaszewski, PhD, J.C. Warner University Professor of Natural Sciences, Departamento de Química da Carnegie Mellon University.

p "Este é um dos santos graais da ciência dos materiais, "observou o Dr. Balazs." Enquanto outros desenvolveram materiais que podem consertar pequenos defeitos, não há pesquisa publicada sobre sistemas que podem regenerar seções a granel de um material cortado. Isso tem um impacto tremendo na sustentabilidade porque você pode estender a vida útil de um material dando a ele a capacidade de crescer novamente quando danificado. "

p A equipe de pesquisa foi inspirada por processos biológicos em espécies como anfíbios, que pode regenerar membros decepados. Este tipo de regeneração de tecido é guiado por três conjuntos de instruções críticas - iniciação, propagação, e término - que o Dr. Balazs descreve como uma "bela cascata dinâmica" de eventos biológicos.

p "Quando olhamos para os processos biológicos por trás da regeneração de tecidos em anfíbios, consideramos como iríamos replicar essa cascata dinâmica dentro de um material sintético, "Dr. Balazs disse." Precisávamos desenvolver um sistema que primeiro detectasse a remoção do material e iniciasse a regeneração, em seguida, propague esse crescimento até que o material alcance o tamanho desejado e, em seguida, encerrar o processo por conta própria. "

p “Nosso maior desafio foi abordar a questão do transporte dentro de um material sintético, "Dr. Balazs disse." Os organismos biológicos têm sistemas circulatórios para alcançar o transporte em massa de materiais como células sanguíneas, nutrientes e material genético. Os materiais sintéticos não possuem inerentemente tal sistema, portanto, precisávamos de algo que funcionasse como um sensor para iniciar e controlar o processo. "

p A equipe desenvolveu um material híbrido de nanobastões incorporados em um gel de polímero, que é circundado por uma solução contendo monômeros e reticuladores (moléculas que ligam uma cadeia polimérica a outra) para replicar a cascata dinâmica. Quando parte do gel é rompido, os nanobastões próximos ao corte atuam como sensores e migram para a nova interface. As cadeias funcionalizadas ou "saias" em uma extremidade desses nanobastões os mantém localizados na interface e os locais (ou "iniciadores") ao longo da superfície da haste desencadeiam uma reação de polimerização com o monômero e os reticuladores na solução externa. Drs. Yong e Kuksenok desenvolveram os modelos computacionais, e, assim, estabeleceu diretrizes para controlar o processo para que o novo gel se comporte e apareça como o gel que substituiu, e terminar a reação para que o material não cresça fora de controle.

p Drs. Balazs, Kuksenok e Yong também dão crédito a Krzysztof Matyjaszewski, que contribuíram para a compreensão da química por trás do processo de polimerização. "Nossa colaboração com o Prof. Matyjaszewski foi excepcionalmente valiosa por nos permitir contabilizar com precisão todas as reações químicas complexas envolvidas nos processos de regeneração", disse o Dr. Kuksenok.

p "A parte mais bonita, porém desafiadora, foi projetar os nanobastões para atender a várias funções, "Dr. Yong disse." Na verdade, eles fornecem o veículo perfeito para desencadear uma cascata dinâmica sintética. "Os nanobastões têm aproximadamente dez nanômetros de espessura, cerca de 10, 000 vezes menor que o diâmetro de um fio de cabelo humano.

p No futuro, os pesquisadores planejam melhorar o processo e fortalecer os laços entre os géis antigos e os recém-formados, e para isso eles foram inspirados por outra metáfora da natureza, a sequóia gigante. "Uma árvore de sequóia terá um sistema radicular raso, mas quando eles crescem em números, os sistemas de raízes se entrelaçam para fornecer suporte e contribuir para seu enorme crescimento, "Dr. Balazs explica. Da mesma forma, as saias nos nanobastões podem fornecer resistência adicional ao material regenerado.

p A próxima geração de pesquisas otimizaria ainda mais o processo de crescimento de várias camadas, criando materiais mais complexos com múltiplas funções.