Novo material leve é ​​mais forte que o aço

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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.

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 os polímeros a formar folhas 2D.

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

"Geralmente não pensamos em plásticos como algo que você pode usar para sustentar um edifício, mas com esse material você pode possibilitar coisas novas", diz ele. "Tem propriedades muito incomuns e estamos muito entusiasmados com isso."

Os pesquisadores solicitaram duas patentes sobre o processo que usaram para gerar o material, que descrevem em um artigo publicado hoje na Nature. O pós-doutorado do MIT, Yuwen Zeng, é o principal autor do estudo.

Duas dimensões

Os 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 levantam 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 é 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 de monômeros, eles usam um composto chamado melamina, que contém um anel de átomos de carbono e nitrogênio. Sob condições adequadas, esses monômeros podem crescer em duas dimensões, formando discos. Esses discos se empilham uns sobre os outros, mantidos juntos por pontes de hidrogênio entre as camadas, o que torna a estrutura muito estável e forte.

"Em vez de fazer uma molécula semelhante a um espaguete, podemos criar um plano molecular semelhante a uma folha, onde fazemos com que as moléculas se enganchem em duas dimensões", diz Strano. "Esse mecanismo ocorre espontaneamente em solução e, depois de sintetizarmos o material, podemos facilmente aplicar películas finas que são extraordinariamente fortes."

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

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

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 que o do vidro à prova de balas. Eles também descobriram que sua resistência ao 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.