p Materiais que simultaneamente têm propriedades contrastantes - por exemplo, eles são macios por um lado e duros por outro, com uma transição gradual entre as duas propriedades - pode permitir aplicações completamente novas, como lentes anti-reflexivas. Na natureza, tais propriedades de fusão são de fato comuns, por exemplo, em mexilhões ou no olho humano. Cientistas de materiais da Universidade de Kiel têm usado esse princípio para desenvolver novos materiais em nanoescala. Eles agora tiveram sucesso na produção de filmes de copolímero ultrafinos com propriedades que variam gradualmente. Como revestimentos multifuncionais, eles podem permitir aplicações ópticas e eletrônicas complexas em formato miniatura, por exemplo, para microeletrônica. Seus resultados foram publicados recentemente na revista Materiais Hoje e também destaque na capa da edição. p Propriedades materiais inspiradas na natureza

p Os mexilhões podem aderir tão firmemente a pedras ou molhes que não podem ser destacados pela corrente do mar. Para que o tecido mole dentro da casca do mexilhão se encaixe de forma estável na superfície dura de uma pedra, mexilhões formam fios adesivos elásticos, por exemplo, que se tornam continuamente mais difíceis no final. Isso se deve à mistura de proteínas que muda uniformemente de uma extremidade a outra dentro da fibra.

p Com base neste princípio da natureza, cientistas de materiais em Kiel desenvolvem materiais finos exclusivos com propriedades de fusão semelhantes, os chamados filmes finos de gradiente. "Para alcançar isto, combinamos dois materiais com propriedades diferentes no nível nano, "explica Stefan Schröder. Ele é o primeiro autor do estudo e atualmente faz seu Ph.D. na cadeira de materiais multicomponentes. O estudo mostra uma maneira de sintetizar gradientes como filmes de polímero ultrafino pela primeira vez. Schröder e seus colegas combinaram politetrafluoroetileno (PTFE, mais conhecido pelo nome comercial "Teflon") com o polímero PV3D3. A combinação de materiais resultante pode ser usada, por exemplo, para revestir aeronaves, geladeiras, ou frentes de vidro para torná-los mais fáceis de descongelar.

p Para este propósito, Schröder e seus colegas aproveitaram as diferentes propriedades dos dois polímeros:o Teflon não é conhecido apenas por suas propriedades antiaderentes, sua superfície também é hidrofóbica. Portanto, as gotas de água idealmente rolam imediatamente ou congelam apenas ligeiramente, o que também facilita a remoção do gelo. Mas o próprio Teflon é difícil de aplicar a outras superfícies. O PV3D3, por outro lado, é caracterizado por boas propriedades adesivas. Ao combinar gradualmente os dois materiais no nível nano, a equipe de pesquisa conseguiu se juntar a eles em uma transição tranquila. Por um lado, o vínculo é particularmente bom, e por outro lado, propriedades diferentes são mantidas. O resultado é um material de revestimento com uma parte superior repelente de água e uma parte inferior bem aderente.

p Revestimentos finos de polímero - não são tão fáceis de produzir

p Mas o revestimento de superfícies com polímeros de maneira controlada não é tão fácil. Já existem processos de deposição de vapor ou pulverização catódica estabelecidos para revestimento com metais ou materiais cerâmicos, que também têm sido usados ​​em grande escala industrial por décadas. Contudo, os polímeros não podem ser simplesmente vaporizados ou pulverizados sem decomposição. A cientista americana Karen K. Gleason fornece um remédio com a técnica de deposição química por vapor (iCVD) que ela desenvolveu em meados da década de 1990 no Instituto de Tecnologia de Massachusetts MIT, onde Schröder passou uma estadia de pesquisa em 2017.

p "Nesse processo, um gás é alimentado junto com um gás iniciador em uma câmara de reação na qual uma superfície de substrato está localizada. O calor faz com que as ligações químicas do iniciador se rompam e uma reação em cadeia comece, "explica o orientador de doutorado Professor Franz Faupel, titular da cátedra de Materiais Compósitos e membro da área de pesquisa KiNSIS (Kiel Nano, Ciência de Superfície e Interface) na CAU. Por aqui, uma película fina de polímero "cresce" na superfície do substrato a partir dos gases introduzidos.

p Os cientistas de materiais de Kiel deram um passo adiante. Eles usaram o processo iCVD não apenas para criar uma fina camada de polímero, mas simultaneamente também uniram dois polímeros em uma transição gradual. Depois de introduzir o monômero V3D3, eles adicionaram o material de partida para a deposição de PTFE e aumentaram continuamente sua concentração. Ao mesmo tempo, eles reduziram o de V3D3, de modo que ambos formem um filme de polímero no substrato com uma transição gradual de um polímero PV3D3 puro para um filme de PTFE puro a partir da superfície do substrato.

p Uma nova classe de nanomateriais de gradiente orgânico

p Durante a técnica iCVD, vários processos ocorrem em paralelo. "Se os parâmetros individuais, como a temperatura do substrato ou a pressão do gás monômero no reator, forem alterados, o material final adquire propriedades diferentes. Contudo, encontrar os parâmetros certos para as propriedades desejadas é muito complexo, "explica Schröder. Portanto, ele equipou o sistema iCVD convencional de sua cadeira com um espectrômetro de massa quadrupolo de fonte aberta de íons. Permite observar os processos na câmara de reação in situ e ajustar a composição da mistura gasosa do iniciador e dos dois monômeros ao mesmo tempo.

p Devido a este controle de alta precisão, a equipe de pesquisa poderia sintetizar uma camada de gradiente de polímero com apenas 21 nanômetros de espessura. Para comparação:o cabelo humano tem um diâmetro de cerca de 50, 000 nanômetros. Anteriormente, apenas gradientes macroscópicos foram possíveis. "Esse filme de gradiente fino é praticamente um recorde mundial e praticamente uma nova classe de nanomateriais de gradiente orgânico, "diz o Dr. Thomas Strunskus, um pesquisador associado no grupo de trabalho. "Especialmente para aplicações em óptica, revestimentos de apenas alguns nanômetros são cruciais para não prejudicar as propriedades ópticas de janelas ou lentes, por exemplo. “Já estão em preparação os primeiros projetos com parceiros industriais do setor de tecnologia de revestimentos e ar condicionado.

p As aplicações possíveis variam de microeletrônica e sensores a óptica e biomedicina

p O processo apresentado no estudo também pode ser usado para realizar outras combinações de polímeros com novas propriedades químicas e físicas dos materiais. Filmes de polímero nanométricos também são interessantes, por exemplo, para componentes e sensores microeletrônicos flexíveis em tecnologia MEMS (sistemas microeletromecânicos) ou máquinas moleculares que transferem processos mecânicos para a nanoescala.

p Os resultados agora publicados também irão fluir para o trabalho de várias associações de pesquisa sob a égide do KiNSIS. "Essas são ferramentas fundamentais para a ciência dos materiais. As aplicações vão desde a melhoria da adesão de camadas funcionais em sensores e o desenvolvimento de materiais para a liberação controlada de medicamentos até máquinas moleculares, "diz Faupel.