Gel vira plástico duro em segundos para proteger contra acidentes

Plástico que endurece com calor

(Legenda da figura: O gel macio e transparente a 25 ° C não suporta o peso (em cima), mas rapidamente se torna rígido e opaco quando aquecido a 60° C, tornando-se forte o suficiente para suportar o peso (embaixo).
[Imagem: Nonoyama T. et al. – 10.1002/adma.201905878])

Pesquisadores da Universidade Hokkaido, no Japão, desenvolveram um hidrogel que faz o oposto do que os materiais à base de polímeros – como garrafas de plástico – normalmente fazem: o material endurece quando aquecido e amolece quando resfriado.

O novo material, que endurece 1.800 vezes quando exposto ao calor, poderá proteger motociclistas e motoristas de carros de corrida durante acidentes.

Takayuki Nonoyama e seus colegas se inspiraram em como as proteínas permanecem estáveis dentro dos seres vivos que sobrevivem em ambientes de calor extremo, como fontes termais. Normalmente, o calor “desnatura” as proteínas, alterando sua estrutura e rompendo seus laços. Mas as proteínas presentes nos termófilos permanecem estáveis com o calor, graças às interações eletrostáticas especialmente reforçadas, como as ligações iônicas.

Eles imitaram esse comportamento usando um gel poliacrílico de baixo custo e atóxico.

Fases dos polímeros

O gel de polieletrólito poli[ácido acrílico] (PAAc) foi imerso em uma solução aquosa de acetato de cálcio. O PAAc por si só comporta-se como qualquer outro material à base de polímero, amolecendo quando aquecido. Mas, quando o acetato de cálcio é adicionado, as moléculas dos materiais interagem de maneira semelhante ao que acontece nas proteínas termófilas, fazendo com que o PAAc passe a se comportar de maneira muito diferente.

À medida que a temperatura aumenta, o gel originalmente uniforme separa-se em uma “fase” densa de polímero e outra esparsa em polímero. Quando atinge uma temperatura crítica, em torno de 60° C, a fase densa sofre uma forte desidratação, o que fortalece as ligações iônicas e as interações hidrofóbicas entre as moléculas de polímero.

Isso faz com que o material se transforme rapidamente, passando de um hidrogel macio e transparente para um plástico rígido e opaco – 1.800 vezes mais rígido, 80 vezes mais forte e 20 vezes mais resistente que o hidrogel original.

Basta baixar a temperatura para que o comportamento se reverta, o que abre inúmeras possibilidades de aplicação.

Estruturas moleculares e os mecanismos por trás do endurecimento térmico instantâneo do hidrogel.
[Imagem: Nonoyama T. et al. – 10.1002/adma.201905878]

Materiais inteligentes sensíveis à temperatura

A equipe demonstrou uma das possíveis aplicações combinando o material com uma fibra de vidro. O tecido compósito resultante é macio a temperatura ambiente, mas quando foi posto para rodar sobre uma superfície de asfalto por cinco segundos, a uma velocidade de 80 km/hora, o calor gerado pela fricção foi suficiente para endurecer o material com apenas pequenas abrasões se formando na superfície de contato.

“Roupas feitas de tecido semelhante podem ser usadas para proteger as pessoas durante acidentes de trânsito ou em esportes, por exemplo. Nosso material também pode ser usado como revestimento de janela absorvente de calor para manter os ambientes internos mais frios,” disse Nonoyama.

“Este gel polimérico pode ser facilmente produzido a partir de matérias-primas versáteis, baratas e não tóxicas, comumente encontradas na vida cotidiana. Especificamente, os ácidos poliacrílicos são usados em fraldas descartáveis e os acetatos de cálcio são usados em aditivos alimentares. Nosso estudo contribui para a pesquisa básica sobre novos polímeros sensíveis à temperatura e para a pesquisa aplicada sobre materiais inteligentes sensíveis à temperatura,” completou o professor Jian Ping Gong.

Inovação Tecnológica

Cristiane Tavolaro

Sou física, professora e pesquisadora do departamento de física da PUC-SP. Trabalho com Ensino de Física, atuando principalmente em ensino de física moderna, ótica física, acústica e novas tecnologias para o ensino de física. Sou membro fundadora do GoPEF - Grupo de Pesquisa em Ensino de Física da PUC-SP e co-autora do livro paradidático Física Moderna Experimental, editado pela Manole.

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