DESCOBERTA: Nanofibras moleculares mais fortes que o aço

A equipe diz que suas descobertas surpreendentes provavelmente serão aplicáveis para uma grande variedade de casos de uso diferentes, incluindo tecnologia de bateria e descontaminação de água. Suas descobertas foram publicadas em 21 de janeiro na Nature Nanotechnology.

O material do grupo MIT é modelado após uma membrana celular, a parte externa da qual é "hidrofílica", o que significa que é estável na água. A parte interna, entretanto, é "hidrofóbica", o que significa que evita a água.

Esta é a chave do segredo do material, explica Julia Ortony, professora assistente do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais (DMSE) do MIT, pois "fornece uma força motriz para a automontagem".

As moléculas se orientam diminuindo as interações entre a parte hidrofóbica e a água, levando-as a assumir uma forma nanoescala.

Inspiração kevlar

Os pesquisadores então criaram uma maneira de impedir que toda a estrutura colapsando quando seca, como normalmente seria o caso.

Um método para desacelerar as moléculas, Ty Christoff-Tempesta, estudante de doutorado e primeiro autor do artigo, observa: "é fazê-las se apegarem umas às outras mais fortemente do que em sistemas biológicos".

Como christoff-tempesta explica, isso pode ser realizado através de uma densa rede de fortes ligações de hidrogênio unindo as moléculas:

"É isso que dá a um material como o Kevlar - construído dos chamados 'aramidas' - sua estabilidade química e força", afirma ele em um comunicado à imprensa.

'Mais forte que o aço'

A equipe incorporou essa ideia em seu desenho de uma molécula com três componentes principais: uma porção externa que gosta de interagir com a água, aramidas no meio para a ligação, e uma parte interna que tem uma forte aversão à água.

Os pesquisadores estabeleceram uma molécula que levou a fitas longas com espessura em escala de nanômetros. Ao medir a força e rigidez dos nanoribbons depois de incluir interações ao estilo Kevlar entre moléculas e descobriu que as nanoribbons eram, surpreendentemente, mais fortes que o aço.

A equipe diz que eles ainda estão no processo de encontrar aplicações para seu novo material excitante, embora possa ser usado para puxar metais pesados, como chumbo ou arsênico para fora da água contaminada, ou usado para aumentar muito a eficiência de dispositivos eletrônicos e baterias.

O Brasil e o Grafeno

As duas primeiras plantas industriais brasileiras de grafeno entraram em escala produtiva e trabalham para conquistar os primeiros clientes. O grafeno é um nanomaterial composto de átomos de carbono que possui propriedades como alta condutividade térmica e elétrica, flexibilidade e elevada resistência mecânica. Essas características despertam o interesse de diferentes setores industriais, que podem aplicar o material em uma ampla gama de produtos, como baterias mais leves e com maior tempo de carga, smartphones com telas flexíveis, tintas anticorrosivas, plásticos e borrachas mais resistentes e condutores, ligas metálicas muito leves e tecidos e embalagens com barreira e dissipação térmica. O grafeno foi descoberto em 2004 pelos cientistas de origem russa Andre Geim e Konstantin Novoselov, professores da Universidade de Manchester, na Inglaterra. Seis anos depois, a dupla ganhou o prêmio Nobel de Física por suas pesquisas com o material.

Uma das fábricas pioneiras do material no Brasil é da estatal Companhia de Desenvolvimento de Minas Gerais (Codemge), resultado do Projeto MGgrafeno, desenvolvido em parceria com a Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG) e o Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear (CDTN). A outra unidade industrial é o UCSGraphene, fruto de um projeto do Parque de Ciência, Tecnologia e Inovação da Universidade de Caxias do Sul (TecnoUCS), no Rio Grande do Sul.

A produção da Codemge está localizada em Belo Horizonte e é realizada por uma equipe multidisciplinar de 59 pessoas, sendo 20 doutores, entre químicos, físicos, biólogos e engenheiros. A fabricação experimental de grafeno teve início em 2018, com uma capacidade de 150 quilos (kg) por ano, volume que desde o final de 2019 tem sido gradualmente ampliado e já alcançou a capacidade de 300 kg anuais.

Ricardo Toledo, diretor de fomento à alta tecnologia da Codemge, relata que o Projeto MGgrafeno é dividido em três fases. A primeira etapa foi o desenvolvimento da rota tecnológica, concluída com a produção de 150 kg anuais. A segunda, em implementação, é o estabelecimento da capacidade de produzir em escala. A meta é ultrapassar a marca de 1 tonelada por ano em 2021. A terceira fase envolve o estabelecimento de acordos comerciais com empresas que vão desenvolver junto com a Codemge aplicações para o grafeno.

“Nosso modelo de negócio não prevê a comercialização de grafeno, como uma commodity, mas parcerias com empresas interessadas, que vão desenvolver produtos que utilizam grafeno na sua formulação”, explica Toledo. A estratégia implica customizar o grafeno fornecido. “Idealmente, nossos parceiros precisam ser companhias com uma área estruturada de P&D [pesquisa e desenvolvimento], com capacidade de interagir com nossos pesquisadores, que estabelecerão as especificações do grafeno para cada aplicação”, destaca a coordenadora de Projetos de Pesquisa da Codemge, Valdirene Peressinotto.

O objetivo inicial da Codemge é estabelecer parcerias com 15 empresas de segmentos distintos de mercado. Cinco, cujos nomes são mantidos em sigilo, já foram definidas e estão em fase de negociação contratual. São uma empresa têxtil, uma siderúrgica, um fabricante de tintas anticorrosivas, um produtor de filmes plásticos para embalagens e uma indústria de manufatura aditiva, ou seja, que produz itens por impressão tridimensional (3D). A Codemge também possui negociações avançadas com sua parceira na produção de células de baterias para veículos elétricos, a inglesa Oxis Energy.

Até o momento, o Projeto MGgrafeno recebeu investimentos de R$ 55,3 milhões, bancados pela Codemge. A produção industrial demandará investimentos de mais R$ 70 milhões, recursos que a estatal prevê conseguir com um sócio estratégico – ainda em negociação.

O Projeto MGgrafeno teve início em 2016 com a decisão da Codemge de agregar valor ao grafite produzido em Minas Gerais – o material é o insumo básico do grafeno. O Brasil é o terceiro produtor mundial de grafite, com uma produção de 96 mil toneladas em 2019, segundo relatório do Serviço Geológico dos Estados Unidos (USGS). Minas Gerais responde por 73% da produção brasileira. O grafite é comercializado na faixa de mil dólares a tonelada. O preço do grafeno varia conforme sua especificação, chegando a 500 ou mesmo mil vezes esse valor.

ESPESSURA ATÔMICA

Um material com espessura atômica, feito totalmente de carbono, mais forte que o diamante, mais resistente que o aço, um potente condutor de eletricidade e calor tem chamado a atenção de alguns países nos últimos anos. O grafeno, material derivado do grafite, possibilita a criação de uma nova cadeia industrial e, por isso, ganhou valor na agenda de governantes. O presidente da República Jair Bolsonaro não foge à regra e é considerado um entusiasta do material.

Mas apesar do interesse presidencial e de o Brasil, de acordo com o Ministério de Minas e Energia, estar em segundo lugar no ranking mundial de reservas de grafite ; mineração ocorre no país desde 1939 ; a exploração e uso do material esbarra no corte das bolsas de incentivo à pesquisa, que atingem pesquisas do grafeno.

Não é preciso ir longe para ver pesquisas que foram afetadas. Na Universidade de Brasília (UnB), quatro bolsas da Capes foram cortadas no mês passado. A informação é do coordenador do programa de pós-graduação e professor do Instituto de Química da universidade, Leonardo Paterno. Segundo ele, uma das bolsas pertence a um aluno que estuda as aplicações biomédicas do grafeno para tratamento do câncer.

Leonardo Paterno acredita que o corte afeta diretamente o avanço das pesquisas do material e, com isso, o futuro da cadeia industrial do grafeno no Brasil. ;O Brasil é avançado na pesquisa, mas precisa estar atualizado. O corte atinge a mão de obra, que são os alunos. O professor não vai para a bancada fazer a pesquisa, tem outras tarefas, quem vai fazer são os alunos e pesquisadores;, avalia.

Além disso, o fomento da pesquisa em si depende desse investimento. ;A pesquisa em grafeno é barata comparado às outras, mas, ainda assim, eu preciso de dinheiro para comprar equipamentos e insumos;, afirma Leonardo. ;A ciência é bem fundada e estabelecida no mundo e no Brasil, mas essa mão de obra precisa ser valorizada;, completa.

Fonte:

https://interestingengineering.com/newly-developed-molecular-nanofibers-are-stronger-than-steel

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