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Exemplos de hortas químicas produzidas no laboratório de Oliver Steinbock, professor de química na Florida State University. Crédito: Cortesia da Florida State University
Universidade Estadual da Flórida os cientistas desenvolveram um modelo matemático que explica o crescimento, a formação de padrões e as propriedades de autocura dos jardins químicos. Esses insights podem levar ao desenvolvimento de materiais auto-reparáveis.
Desde meados de 1600, os químicos ficam fascinados com estruturas semelhantes a corais de cores vivas que se formam pela mistura de sais metálicos em uma pequena garrafa.
Até agora, os investigadores não conseguiram modelar como funcionam estas estruturas tubulares aparentemente simples – chamadas jardins químicos – e os padrões e regras que regem a sua formação.
Em artigo publicado esta semana no Anais da Academia Nacional de CiênciasPesquisadores da Florida State University apresentam um modelo que explica como essas estruturas crescem para cima, formam formas diferentes e como passam de um material flexível e autocurável para um mais frágil.
“No contexto de materiais, é muito interessante”, disse Oliver Steinbock, professor de Química e Bioquímica da FSU. “Eles não crescem como cristais. Um cristal tem belos cantos afiados e cresce átomo camada por camada de átomo. E quando ocorre um buraco em um jardim químico, ele se autocura. Esses são os primeiros passos para aprender como fazer materiais que podem se reconfigurar e se reparar.”
Normalmente, os jardins químicos se formam quando partículas de sal metálico são colocadas em uma solução de silicato. O sal dissolvido reage com a solução para criar uma membrana semipermeável que é ejetada para cima na solução, criando uma estrutura de aparência biológica, semelhante ao coral.
Os cientistas observaram jardins químicos pela primeira vez em 1646 e durante anos ficaram fascinados com as suas interessantes formações. A química está relacionada à formação de fontes hidrotermais e à corrosão de superfícies de aço onde podem se formar tubos insolúveis.
“As pessoas perceberam que eram coisas peculiares”, disse Steinbock. “Eles têm uma longa história na química. Tornou-se mais como uma experiência de demonstração, mas nos últimos 10-20 anos, os cientistas voltaram a interessar-se por eles.”
A inspiração para o modelo matemático desenvolvido por Steinbock, junto com o pesquisador de pós-doutorado Bruno Batista e a pós-graduanda Amari Morris, veio de experimentos que injetavam continuamente uma solução salina em um volume maior de solução de silicato entre duas placas horizontais. Estes mostraram modos de crescimento distintos e que o material começa elástico, mas à medida que envelhece, o material torna-se mais rígido e tende a quebrar.
O confinamento entre duas camadas permitiu aos pesquisadores simular uma série de padrões de formas diferentes, alguns parecendo flores, cabelos, espirais e vermes.
Em seu modelo, os pesquisadores descreveram como esses padrões surgem ao longo do desenvolvimento do jardim químico. As soluções salinas podem variar muito na composição química, mas seu modelo explica a universalidade na formação.
Por exemplo, os padrões podem consistir em partículas soltas, membranas dobradas ou filamentos autoextensíveis. O modelo também validou observações de que membranas frescas se expandem em resposta a microrupturas, demonstrando a capacidade de autocura do material.
“A coisa boa que obtivemos foi que chegamos à essência do que é necessário para descrever a forma e o crescimento dos jardins químicos”, disse Batista.
Referência: “Seleção de padrões por envelhecimento de material: Modelagem de jardins químicos em duas e três dimensões” por Bruno C. Batista, Amari Z. Morris e Oliver Steinbock, 3 de julho de 2023, Anais da Academia Nacional de Ciências.
DOI: 10.1073/pnas.2305172120
Este trabalho foi apoiado por NASA e a Fundação Nacional de Ciência.