UM MATERIAL QUE PODE REGENERAR-SE QUANDO DANIFICADO

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           Modelo de um material de auto-reparação usando nanobastões (Crédito: University of Pittsburgh)

E se você pudesse programar um objeto quebrado ou danificado a regenerar-se - a reposição dos componentes danificados ou ausentes, e estendendo sua vida útil - em vez de substituí-lo ou exigir reparações dispendiosas?Agora na  Universidade de Pittsburgh  pesquisadores desenvolveram modelos computacionais de um novo gel polímero que pode fazer exatamente isso.

"Esse é um dos objetivos primordiais da ciência de materiais", observou Anna C. Balazs, PhD, distinto da Escola Robert Swanson vd Luft Professor de química e engenharia de petróleo e um dos autores de um Nano Letterspapel. "Outros desenvolveram materiais que podem consertar pequenos defeitos, [mas] não há nenhuma pesquisa publicados sobre sistemas que podem regenerar partes em massa de um material decepada. Isso tem um tremendo impacto sobre a sustentabilidade, porque você poderia estender a vida útil de um material, dando-lhe a capacidade de regenerar quando danificado. "

A equipe de pesquisa foi inspirada por processos biológicos em espécies, como anfíbios, que pode regenerar membros decepados.

Uma cascata dinâmico biomimético

"Quando olhamos para os processos biológicos subjacentes a regeneração dos tecidos em anfíbios, foram considerados como poderíamos replicar essa cascata dinâmica dentro de um material sintético", disse Balazs.

"Precisávamos desenvolver um sistema que primeiro iria sentir a remoção de material e iniciar a rebrota, então propagar que o crescimento até que o material atingiu o tamanho desejado e, em seguida, a auto-extinguir o processo."

"Nosso maior desafio foi lidar com a questão do transporte dentro de um material sintético", disse Balazs. "Os organismos biológicos possuem sistemas circulatórios para conseguir transporte de massa de materiais como as células do sangue, nutrientes e material genético.

Os materiais sintéticos não possuem inerentemente um sistema desse tipo, por isso precisava de algo que agiu como um sensor para iniciar e controlar o processo. "

Material híbrido: nanorods + gel

A equipe desenvolveu um material híbrido de nanobastões cerca de dez nanômetros de espessura incorporado em um gel polímero, que é cercada por uma solução contendo monômeros (uma molécula que pode combinar com outros para formar um polímero) e agentes de ligação cruzada (moléculas que apontam um polímero cadeia para o outro) para replicar a cascata dinâmico.

Quando parte do gel é cortado, os nanobastões perto do corte agem como sensores e migrar para a nova interface. As cadeias funcionalizados ou "saias" sobre uma extremidade destes nanorods mantém localizada na interface, e os locais (ou "iniciadores") ao longo da superfície da haste de desencadear uma reacção de polimerização com o monómero e agentes de reticulação na solução externa.

A ideia é controlar o processo para que o novo gel se comporta e aparece como o gel-lo substituído, e para terminar a reação para que o material não iria crescer fora de controle, guiado por três conjuntos críticos de instruções - iniciação, propagação e terminação - que Balazs descrito como uma "bela cascata dinâmico" de eventos biológicos.

Sequoia modelo pau-brasil-árvore

No futuro, os pesquisadores planejam melhorar o processo e fortalecer os laços entre os antigos e os recém-formados géis, e por isso eles foram inspirados por outra metáfora da natureza, a árvore sequóia gigante.

"Uma árvore sequóia terá um sistema radicular superficial, mas quando eles crescem em números, o sistema radicular se entrelaçam para dar apoio e contribuir para o seu enorme crescimento", explicou Balazs. Da mesma forma, as saias de nanorods pode proporcionar resistência adicional ao material regenerado.

A próxima geração de pesquisa seria otimizar ainda mais o processo de crescer múltiplas camadas, criando materiais mais complexos, com múltiplas funções.

Outros investigadores principais e co-autores são Xin Yong, PhD, pós-doutorado associado, que é o principal autor do artigo, Olga Kuksenok, PhD, professor associado de pesquisa, e Krzysztof Matyjaszewski, PhD, JC Warner Professor da Universidade de Ciências Naturais, Departamento de Química da Universidade Carnegie Mellon.

Resumo da Nano Letters papel

Com abordagens computacionais recentemente desenvolvidos, concebemos um nanocompósito que permite a auto-regeneração da matriz de gel, quando uma porção significativa do material é cortado. O corte instiga a cascata dinâmica de eventos cooperativos que conduzem à rebrota. Especificamente, nanobastões funcionalizados localizar na nova interface e iniciar a transferência de átomo de polimerização radical com monômeros e agentes de ligação cruzada na solução externa. A reacção propaga para formar um novo gel de ligação cruzada, o qual pode ser sintonizado para assemelhar-se o material não cortado.

Referência

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a) A configuração inicial de uma rede de gel funcional. (B) vista de cima para baixo do estado de equilíbrio de um gel inchado em um solvente a uma temperatura de 293,15 K. As contas verdes representam as fibras de polímero, as contas vermelhas são agentes de ligação cruzada, e as contas azuis estão pendurados termina com um baixa conectividade. (Crédito:. Xin Yong et al /Nano Letters )