Cientistas resolvem o mistério dos microgéis

Cientistas do PSI e da Universidade de Barcelona conseguiram explicar o estranho comportamento dos microgéis. Seus experimentos com feixes de nêutrons levaram as capacidades desta técnica de medição ao seu limite. Esta descoberta tem um potencial promissor para novas aplicações nas áreas de ciência de materiais e pesquisa farmacêutica.

Eles fluem pelas nossas artérias, acrescentam cor às nossas paredes ou tornam o leite saboroso: minúsculas partículas ou gotículas que são distribuídas muito finamente num solvente. Juntos eles formam um colóide. Enquanto a física dos colóides que envolvem partículas duras – como os pigmentos coloridos nas tintas de emulsão – é bem compreendida, os colóides que envolvem partículas moles – como a hemoglobina, o pigmento vermelho do sangue, ou as gotículas de gordura no leite – guardam algumas surpresas surpreendentes.

Uma experiência realizada há 15 anos mostrou que as partículas macias feitas de polímeros – os chamados microgéis – encolhem abruptamente quando a sua concentração num solvente é aumentada acima de um determinado limiar. Quando isso acontece, as partículas grandes se contraem até ficarem do tamanho de suas vizinhas menores. Surpreendentemente, isto acontece mesmo quando as partículas não estão realmente em contacto umas com as outras.

Os pesquisadores ficaram intrigados: como uma partícula de gel sabe o tamanho do seu vizinho sem tocá-lo? Existe algum tipo de “telepatia” entre os microgéis?

Hipótese de 2016 confirmada

“Claro que não”, sorri Urs Gasser. O físico vem estudando o encolhimento milagroso de microgéis em colóides nos últimos dez anos.

Juntamente com uma equipe de pesquisadores, publicou em 2016 um artigo explicando o fenômeno. Resumidamente, nesta situação, as partículas de polímero consistem em longas cadeias de carbono. Eles carregam uma carga negativa fraca em uma extremidade. Essas cadeias formam uma bola, o microgel. Isso pode ser considerado como um novelo de lã, com propriedades de uma esponja.

Este emaranhado tridimensional contém, portanto, cargas pontuais negativas que atraem íons carregados positivamente no líquido. Esses chamados contra-íons se organizam em torno das cargas negativas da bola, formando uma nuvem carregada positivamente na superfície do microgel. Quando os microgéis se aproximam, suas nuvens de carga se sobrepõem (ver imagem). Isto, por sua vez, aumenta a pressão dentro do líquido, que comprime as partículas de microgel até que um novo equilíbrio seja alcançado.

Na época, porém, a equipe de pesquisa não conseguiu fornecer provas experimentais da nuvem de contra-íons. Juntamente com seu Ph.D. estudantes Boyang Zhou e Alberto Fernandez-Nieves, da Universidade de Barcelona, ​​Gasser forneceu agora essa evidência – e apoia de forma impressionante a hipótese de 2016. Os resultados foram publicados na revista Comunicações da Natureza.

Fonte de nêutrons SINQ crucial para resolver o quebra-cabeça

Isso foi possível graças aos nêutrons da fonte de espalação SINQ do PSI – junto com um truque experimental. Porque a nuvem de contra-íons no colóide é tão rarefeita que não é realmente visível na imagem dos nêutrons espalhados. Os contra-íons representam não mais que um por cento da massa de um microgel.

Assim, Gasser, Zhou e Fernandez-Nieves examinaram duas amostras: um colóide em que todos os contra-íons eram íons de sódio e outro em que eram íons de amônio (NH4). Ambos os íons também ocorrem naturalmente em microgéis – e dispersam os nêutrons de maneira diferente. Subtrair uma imagem da outra deixa os sinais dos contra-íons. Boyang Zhou: “Esta solução aparentemente simples requer o máximo cuidado na preparação dos colóides para tornar visíveis as nuvens de íons. Ninguém jamais mediu uma nuvem de íons tão rarefeita antes.”

Aplicações em cosméticos e produtos farmacêuticos

Saber como os microgéis moles se comportam em colóides significa que eles podem ser adaptados para atender a muitas aplicações diferentes. Na indústria do petróleo, eles são bombeados para reservatórios subterrâneos para ajustar a viscosidade do petróleo do poço e facilitar sua extração. Na cosmética, conferem aos cremes a consistência desejada.

Também são concebíveis microgéis inteligentes, que podem ser carregados com medicamentos. As partículas podem reagir ao gástrico ácido, por exemplo, e liberar a droga encolhendo. Ou então um microgel pode encolher e se transformar em uma pequena bola de polímero densamente compactada quando a temperatura aumenta, uma bola que reflete a luz de maneira diferente do que em seu estado inchado. Isto poderia ser usado como um sensor de temperatura em canais de fluido estreitos. Outros sensores poderiam ser projetados para responder a mudanças na pressão ou contaminação. “Não há limites para a imaginação”, diz Urs Gasser.

Referência: “Medindo a nuvem de contra-íons de microgéis moles usando SANS com variação de contraste” por Boyang Zhou, Urs Gasser e Alberto Fernandez-Nieves, 7 de julho de 2023, Comunicações da Natureza.
DOI: 10.1038/s41467-023-39378-5