O novo material é um polímero bidimensional, feito de melamina , que se auto-organiza em folhas, ao contrário de todos os outros polímeros, que formam cadeias unidimensionais semelhantes a espaguete. Até agora, os cientistas acreditavam ser impossível induzir polímeros a formar folhas 2D.
Esse material poderia ser usado como um revestimento leve e durável para peças de automóveis ou celulares, ou como material de construção para pontes ou outras estruturas, diz Michael Strano, professor Carbon P. Dubbs de Engenharia Química no MIT e autor sênior do novo estudo.
“Normalmente, não pensamos em plástico como algo que possa ser usado para sustentar uma construção, mas com este material, podemos criar coisas novas”, diz ele. “Ele tem propriedades muito incomuns e estamos muito animados com isso.”
Os pesquisadores registraram duas patentes para o processo que utilizaram para gerar o material, o qual descrevem em um artigo publicado hoje na revista Nature . O pós-doutorando do MIT, Yuwen Zeng, é o autor principal do estudo.
Duas dimensões
Os polímeros, que incluem todos os plásticos, consistem em cadeias de blocos de construção chamados monômeros. Essas cadeias crescem adicionando novas moléculas às suas extremidades. Uma vez formados, os polímeros podem ser moldados em objetos tridimensionais, como garrafas de água, por meio de moldagem por injeção.
Cientistas de polímeros há muito tempo levantam a hipótese de que, se os polímeros pudessem ser induzidos a crescer em uma folha bidimensional, eles formariam materiais extremamente fortes e leves. No entanto, muitas décadas de trabalho nessa área levaram à conclusão de que era impossível criar tais folhas. Uma razão para isso era que, se apenas um monômero girasse para cima ou para baixo, fora do plano da folha em crescimento, o material começaria a se expandir em três dimensões e a estrutura semelhante a uma folha seria perdida.
No entanto, no novo estudo, Strano e seus colegas desenvolveram um novo processo de polimerização que lhes permite gerar uma folha bidimensional chamada poliaramida. Para os blocos de construção monoméricos, eles usam um composto chamado melamina, que contém um anel de átomos de carbono e nitrogênio. Sob as condições certas, esses monômeros podem crescer em duas dimensões, formando discos. Esses discos se empilham uns sobre os outros, unidos por ligações de hidrogênio entre as camadas, o que torna a estrutura muito estável e forte.
“Em vez de criar uma molécula em forma de espaguete, podemos criar um plano molecular em forma de folha, onde fazemos as moléculas se conectarem em duas dimensões”, diz Strano. “Esse mecanismo ocorre espontaneamente em solução e, depois de sintetizarmos o material, podemos facilmente revestir por centrifugação filmes finos extraordinariamente resistentes.”
Como o material se automonta em solução, ele pode ser produzido em grandes quantidades simplesmente aumentando a quantidade dos materiais de partida. Os pesquisadores demonstraram que conseguiam revestir superfícies com filmes do material, que eles chamam de 2DPA-1.
“Com esse avanço, temos moléculas planas que serão muito mais fáceis de moldar em um material muito forte, mas extremamente fino”, diz Strano.
Leve mas forte
Os pesquisadores descobriram que o módulo de elasticidade do novo material — uma medida da força necessária para deformar um material — é entre quatro e seis vezes maior que o do vidro à prova de balas. Eles também descobriram que seu limite de escoamento, ou a força necessária para romper o material, é o dobro do do aço, embora o material tenha apenas cerca de um sexto da densidade do aço.
Outra característica fundamental do 2DPA-1 é sua impermeabilidade a gases. Enquanto outros polímeros são feitos de cadeias espiraladas com espaços que permitem a passagem de gases, o novo material é feito de monômeros que se unem como peças de LEGO, impedindo a passagem de moléculas entre eles.
“Isso nos permitiria criar revestimentos ultrafinos que impedem completamente a passagem de água ou gases”, diz Strano. “Esse tipo de revestimento de barreira poderia ser usado para proteger metais em carros e outros veículos, ou estruturas de aço.”
Strano e seus alunos agora estão estudando mais detalhadamente como esse polímero em particular é capaz de formar folhas 2D e estão experimentando mudar sua composição molecular para criar outros tipos de materiais novos.
A pesquisa foi financiada pelo Centro de Transporte Nanofluídico Aprimorado (CENT), um Centro de Pesquisa de Fronteira de Energia patrocinado pelo Departamento de Energia dos EUA, Escritório de Ciência, e pelo Laboratório de Pesquisa do Exército.
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