Material mutante: Criado um sólido que é também fluido

Estável e adaptável

Pesquisadores desenvolveram uma nova classe de materiais sólidos que podem reorganizar sua estrutura interna de forma reversível, alterando drasticamente suas propriedades físicas em resposta a estímulos ambientais mínimos.

Diferente dos materiais convencionais, como aço ou plástico, cujas características são fixas após a fabricação, essa nova classe de substâncias consegue alternar entre estados rígidos e flexíveis de maneira dinâmica e autônoma.

Sempre houve um dilema entre estabilidade e adaptabilidade na engenharia de materiais: Materiais sólidos são projetados para serem robustos, mas essa rigidez impede que eles se ajustem dinamicamente ao ambiente. Na natureza, contudo, as coisas são diferentes. As proteínas, por exemplo, demonstram que é possível que um material seja estável e funcionalmente flexível, neste caso usando a água para mudar de forma conforme a necessidade.

Vignesh Athiyarath e colegas da Universidade Cidade de Nova York, nos EUA, conseguiram agora replicar esse comportamento em sistemas sólidos sintéticos (não naturais), e fazer isso sem que o material precise ser imerso em água.

“A natureza nos mostra que estabilidade e adaptabilidade não precisam ser opostas,” comentou o professor Xi Chen, coordenador da equipe. “As proteínas são geralmente bastante estáveis, mas podem adaptar sua forma e movimentos às condições ambientais locais para desempenhar funções específicas. Nosso objetivo era trazer esse mesmo princípio para os materiais de estado sólido.

Cristal dinâmico

A novidade são cristais feitos a partir de peptídeos, que são os mesmos blocos de construção das proteínas. A descoberta central reside na capacidade desses sólidos de alternar entre arquiteturas moleculares inteiramente distintas, como passar de uma estrutura em camadas macias para uma organização hexagonal extremamente rígida.

O mecanismo é acionado por variações na umidade: As moléculas de água confinadas no cristal cumprem uma dupla função, atuando como componentes estruturais e como o “combustível” que permite realizar uma reconfiguração interna sem destruir a integridade do material.

Essa transformação não é um simples ajuste de volume do material – são comuns materiais que incham com a umidade – mas uma reorganização completa de como as moléculas estão compactadas na estrutura do cristal. “Não se trata de pequenos ajustes ou movimentos suaves de respiração,” destacou Athiyarath. “O material reorganiza completamente a forma como suas moléculas estão empacotadas.”

Vastas aplicações

Como a topologia interna determina a rigidez ou flexibilidade de um material, essas transições estruturais geram grandes mudanças controláveis nas propriedades mecânicas e ópticas. Ao contrário da maioria dos materiais adaptativos, que permitem apenas pequenas expansões ou contrações, esses sólidos à base de peptídeos apresentam modos de empacotamento fundamentalmente diferentes.

As possíveis aplicações para essa tecnologia são vastas, abrangendo desde o desenvolvimento de componentes eletrônicos e ópticos que se ajustam sozinhos a condições climáticas até a criação de sensores inteligentes e dispositivos médicos.

Devido à simplicidade dos blocos biológicos utilizados, o material promete baixo custo de produção e facilidade de fabricação em larga escala, permitindo que a adaptabilidade biológica seja integrada a tecnologias industriais e cotidianas, indica a equipe.