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Novo material é mais forte que o aço e tão leve quanto o plástico

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Usando um novo processo de polimerização, os engenheiros químicos do MIT criaram um novo material que é mais forte que o aço e tão leve quanto o plástico, e pode ser facilmente fabricado em grandes quantidades.

Novo material é mais forte que o aço e tão leve quanto o plástico
O novo material é um polímero bidimensional que se automonta em folhas e pode ser usado como revestimento leve e durável para peças de automóveis ou telefones celulares, ou como material de construção para pontes ou outras estruturas. Crédito: filme de polímero cortesia dos pesquisadores; Christine Daniloff, MIT

O novo material é um polímero bidimensional que se automonta em folhas, ao contrário de todos os outros polímeros, que formam cadeias unidimensionais semelhantes a espaguete. Até agora, os cientistas acreditavam que era impossível induzir polímeros a formar folhas 2D.

Esse material pode ser usado como revestimento leve e durável para peças de automóveis ou telefones celulares, ou como material de construção para pontes ou outras estruturas, diz Michael Strano, professor de engenharia química do Carbon P. Dubbs no MIT e autor sênior de o novo estudo.

Strano informou:

“Geralmente não pensamos em plástico como algo que você poderia usar para apoiar uma construção, mas com esse material, você pode possibilitar coisas novas. Ele tem propriedades muito incomuns e estamos muito empolgados com isso.”

Os pesquisadores solicitaram duas patentes sobre o processo usado para gerar o material, que descrevem em um artigo publicado na Nature em 2 de fevereiro de 2022. O pós-doutorando do MIT Yuwen Zeng é o principal autor do estudo.

O novo material é um polímero bidimensional que se automonta em folhas e pode ser usado como revestimento leve e durável para peças de automóveis ou telefones celulares, ou como material de construção para pontes ou outras estruturas. Crédito: filme de polímero cortesia dos pesquisadores; Christine Daniloff, MIT

Duas dimensões

Polímeros, que incluem todos os plásticos, consistem em cadeias de blocos de construção chamados monômeros. Essas cadeias crescem adicionando novas moléculas em suas extremidades. Uma vez formados, os polímeros podem ser moldados em objetos tridimensionais, como garrafas de água, usando moldagem por injeção.

Os cientistas de polímeros há muito formulam a hipótese de que, se os polímeros pudessem ser induzidos a crescer em uma folha bidimensional, eles deveriam formar materiais extremamente fortes e leves. No entanto, muitas décadas de trabalho neste campo levaram à conclusão de que era impossível criar tais folhas. Uma razão para isso foi que se apenas um monômero girar para cima ou para baixo, fora do plano da folha em crescimento, o material começará a se expandir em três dimensões e a estrutura em forma de folha será perdida.

No entanto, no novo estudo, Strano e seus colegas criaram um novo processo de polimerização que lhes permite gerar uma folha bidimensional chamada poliaramida. Para os blocos de construção do monômero, 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, mantidos juntos por ligações de hidrogênio entre as camadas, o que torna a estrutura muito estável e forte.

Starano diz:

“Em vez de fazer uma molécula semelhante a espaguete, podemos fazer um plano molecular semelhante a uma folha, onde fazemos com que as moléculas se conectem em duas dimensões. Esse mecanismo acontece espontaneamente em solução e, depois de sintetizarmos o material, podemos facilmente revestir filmes finos extraordinariamente fortes.”

Como o material se automonta em solução, ele pode ser feito em grandes quantidades simplesmente aumentando a quantidade dos materiais de partida. Os pesquisadores mostraram que poderiam revestir superfícies com filmes do material, que eles chamam de 2DPA-1.

Strano disse:

“Com esse avanço, temos moléculas planares que serão muito mais fáceis de moldar em um material muito forte, mas extremamente fino.”

Leve mas forte

Os pesquisadores descobriram que o módulo de elasticidade do novo material – uma medida de quanta força é necessária para deformar um material – é entre quatro e seis vezes maior do que o vidro à prova de balas. Eles também descobriram que seu limite de escoamento, ou quanta força é necessária para quebrar o material, é o dobro do aço, embora o material tenha apenas cerca de um sexto da densidade do aço.

Matthew Tirrell, reitor da Escola Pritzker de Engenharia Molecular da Universidade de Chicago, diz que a nova técnica “incorpora uma química muito criativa para fazer esses polímeros 2D ligados”.

Tirrell, que não esteve envolvido em o estudo, disse:

“Um aspecto importante desses novos polímeros é que eles são facilmente processáveis ​​em solução, o que facilitará inúmeras novas aplicações onde a alta relação resistência-peso é importante, como novos materiais compósitos ou barreira de difusão.”

Outra característica importante do 2DPA-1 é que ele é impermeável aos gases. Enquanto outros polímeros são feitos de cadeias enroladas com lacunas que permitem a passagem de gases, o novo material é feito de monômeros que se encaixam como LEGOs, e as moléculas não podem ficar entre eles.

Strano disse:

“Isso pode nos permitir criar revestimentos ultrafinos que podem impedir completamente a passagem de água ou gases. Esse tipo de revestimento de barreira pode ser usado para proteger metal em carros e outros veículos, ou estruturas de aço.”

Strano e seus alunos estão agora estudando com mais detalhes como esse polímero em particular é capaz de formar folhas 2D e estão experimentando mudar sua composição molecular para criar outros tipos de novos materiais.

(Fonte)

Colaboração: Jacque


Imagine só o que poderá ser fabricado com este material; coisas como aeronaves/espaçonaves super resistentes e leves…

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