Eletroadesão: A mágica de fazer materiais grudarem sem cola (vídeo)

Um novo processo de eletroadesão permite a fixação fácil e reversível de hidrogéis a metais usando eletricidade, eficaz em uma variedade de materiais, de alimentos a metais.

Como você colaria uma fatia de banana em uma folha de cobre? Até alguns meses atrás, não era possível. Mas uma nova descoberta chamada “eletroadesão duro-macio” permite que os químicos colem quase qualquer hidrogel em quase qualquer metal, usando nada além de uma corrente elétrica. E você pode descolar os materiais simplesmente invertendo a corrente.

Relatado recentemente em Ciência Central ACSesse fenômeno surpreendentemente geral funciona com uma grande variedade de géis (incluindo frutas, vegetais, carne e peixe) e condutores (incluindo metais e grafite). Junte-se ao nosso anfitrião George enquanto ele tenta replicar a eletroadesão em seu porão e tenta descobrir o que — se é que há algo — esse fenômeno notável compartilha com a supercola.

Transcrição do vídeo:

Vou mostrar a vocês um truque de mágica de química. Esta é uma banana, esta é uma fonte de alimentação DC, e estes são eletrodos de cobre, porque estou testando o que parece ser uma grande inovação química que foi publicada há alguns meses.

Agora, vamos ver. É, isso acabou de sair. E isso também. Não funcionou, então vou desistir.

Brincadeira, vou aumentar a voltagem o máximo que puder. Há 0,007 amperes passando por essa banana agora.

E dessa vez depois de passar um pouquinho de corrente por essa banana… E se eu meio que- Ok, isso, então isso segura, olha isso. Isso segura.

Isso é chamado de eletroadesão. Colar coisas usando apenas corrente elétrica. E não é só banana. Supostamente você pode fazer isso com gelatina também. Muito bom. Preciso da faca? Isso pode simplesmente sair? Ah, sim, olha só.

São 0,055 amperes fluindo por esse bloco de gelatina. Meu Deus, está realmente borbulhando no fundo da gelatina. Isso não foi mencionado no artigo. Isso é tão legal. Eu consigo ouvir.

Fiquei tão animado que esqueci de programar um cronômetro. Então, quem sabe há quanto tempo isso está acontecendo.

Tudo bem, aqui vamos nós. E de novo, um lado gruda, o outro não. Certo? A parte de baixo não grudou de jeito nenhum. Isso está razoavelmente bem grudado, como você pode ver.

Estou tentando tirá-lo e ele não sai. Quer dizer, mas essa nem é a parte mágica. Isso está preso. A parte mágica vem quando eu inverto a polaridade. O vermelho vai para baixo. Então agora a corrente está fluindo na direção oposta, e a adesão está desfeita. Então isso saiu imediatamente. Essa era a parte que estava presa. antes da eletroadesão reversível, mágica.

Então eu tive que testar com eletrodos de grafite e funcionou. E então grafite e uma banana e funcionou. Ok, isso é definitivamente mais forte do que era lá em cima.

E então eu tentei um gel transparente. E agora é só espuma pura. Isso não funcionou muito bem. Ah. Mas deu um resultado interessante. Tenho quase certeza de que não era azul antes. É, olha só. Isso é antes e isso é depois.

Então minha pesquisa de adesão se desviou um pouco quando descobri que spray de cabelo é basicamente cola Elmer em aerossol. Então eu tive que testar isso. Então, para testar meu spray de cabelo naturalmente, comprei uma cabeça. Vamos dar a ela uma iluminação menos assustadora. Pronto. Não, isso é mais assustador. Alguns sprays diluíram a cola Elmer. Ah, sim, isso é muito bom. Este é bem mole, este é bem rígido. Agora, é um bom spray de cabelo? Não. Funciona? Sim.

Ok, voltando à eletroadesão. Este vídeo é sobre eletroadesão. Sim, sim. Eu tive que aumentar. Está funcionando. Uau. De novo, um lado não grudou, mas o outro lado…

Não. Não. Eu não acredito nisso. Você não está entretido? Oh, está quebrando, está quebrando, está quebrando. Ah. Oh meu Deus, isso foi incrível.

Cara, olha essa sacudida. Faça isso em câmera lenta. Ok, agora eu não testei numericamente a força dessa junta, mas essa coisa de gelatina pesa pelo menos meio quilo. Então acho que posso dizer com segurança que repliquei a principal descoberta deste artigo. E é uma descoberta principal estranha. Como se estivéssemos pegando um bloco de gelatina e colando-o em um pedaço de cobre sem usar cola de verdade, mas usando apenas elétrons, eletricidade.

Então, como essa coisa, que, a propósito, é chamada de eletroadesão duro-macio, funciona? E, por falar nisso, como a cola comum funciona? Para descobrir, escolhi uma cola aleatoriamente, Super Glue, e pesquisei no Google. E rapidamente encontrei uma explicação muito ruim repetida por toda a internet. Então, vamos começar por aí, com essa explicação terrível. Você está pronto? Aqui está.

Super Cola é geralmente etil-2-cianoacrilato, essa molécula aqui. Agora, esses dois grupos funcionais significam que esse carbono é, na verdade, deficiente em elétrons, o que significa que esse carbono é suscetível a ataque nucleofílico, por digamos água. Isso lhe dá essa molécula, que então reage com outra molécula de etil-2-cianoacrilato.

Agora, neste ponto, você tem dois monômeros que reagem para dar a você um dímero. Então, esse dímero reage com outra molécula de etil-2-cianoacrilato, e isso lhe dá um trímero. Então, esse trímero reage com outra molécula e você tem uma ideia de onde quero chegar com isso, certo? Isso acontece repetidamente até que você obtenha um polímero, poli etil cianoacrilato.

Fato engraçado, eu tive COVID enquanto filmava essa cena, e isso me fez estragar completamente todas as estruturas de polímero neste vídeo. Estou culpando a COVID? Sim, estou. Esta é a estrutura correta para o polietilcianoacrilato. Você pode ver que na minha estrutura eu adicionei um carbono extra sem motivo algum, e coloquei o N no topo como um matemático em vez de na parte inferior como um químico.

Então, no geral, você passou de muitas moléculas pequenas neste tubo para menos moléculas maiores, polímeros. Agora, esses polímeros não podem se mover porque tudo ao redor deles também é um polímero. Então, na escala macro, você tem cola endurecida. Elas estão presas. Você notou que nessa explicação aprendemos muito sobre como a supercola gruda em si mesma, mas não aprendemos nada sobre como a supercola gruda em outra coisa? E grudar em outra coisa é o ponto principal de uma cola. Então, na verdade, não está explicando nada.

Então, mudei de olhar a internet para olhar os livros didáticos, e eu não encontrei, sim, ainda nada sobre como a supercola gruda em outras coisas. Mas eu encontrei meia frase no manual sobre adesivos que eu achei particularmente intrigante. E essa meia frase é: “O gelo adere a quase qualquer superfície.”

Gelo. E eu tive esse momento de tipo, é claro que vai. Tipo, olha, bandeja de gelo. Esses cubos de gelo saem sozinhos? Não, não saem. Você tem que quebrar a bandeja para soltá-los porque o gelo adere à bandeja.

Então isso significa que a água é uma cola? Escute-me, ok? A água começa como um líquido, que não é pegajoso, não gruda em coisas. Mas então você a aplica em dois materiais e diminui a temperatura, o que estou fazendo aqui com minha chapa fria sofisticada. E conforme a água congela, ela endurece, o que adere os dois materiais juntos.

Aqui à direita está a água e aqui à esquerda está a supercola. E ambas as coisas são aplicadas em forma líquida, elas endurecem, e quando endurecem, elas aderem os dois materiais juntos. As colas normalmente não endurecem por congelamento, elas endurecem de outras maneiras, mas essa é realmente a principal diferença.

Como químico, sempre soube que as moléculas individuais de água são pegajosas por causa da ligação de hidrogênio. A ligação de hidrogênio para ADNa ligação de hidrogênio com proteínas, elas fazem ligações de hidrogênio com superfícies ao nosso redor. E, de fato, se você realmente quer secar uma superfície, você tem que colocar muita energia para fazer aquelas últimas moléculas de água evaporarem.

Mas eu não percebi que quando você congela água, o que você está realmente fazendo é travar todas essas moléculas no lugar. Então, não só a água gruda na superfície, ela também gruda em si mesma. E é exatamente isso que quase todas as colas reais fazem.

Ok, então vou me dar um tapinha nas costas por essa epifania, mas isso não explica o que a supercola está realmente fazendo. Tipo, sim, com água, é ligação de hidrogênio, mas o que a supercola está fazendo?

Então eu simplesmente saí e comprei um pouco de supercola para este vídeo, apenas para descobrir que minha próxima pista estava bem aqui o tempo todo, na parte de trás da embalagem. Eu poderia ter visto isso semanas atrás. Diz: “Não recomendado para uso em plástico de polietileno ou polipropileno”.

Então eu peguei um pouco de polipropileno e vamos ver o que acontece quando você tenta supercolar. (música animada) Oito, nove. Aqui temos dois pedaços de polipropileno unidos por supercola. Vamos ver o que acontece. É, não segura nada. Uau, foi surpreendentemente fácil descolar.

Esta é uma pista interessante. E para entender a pista, vamos olhar para as estruturas químicas desses dois polímeros. Quimicamente, elas são chatas. São apenas ligações simples carbono-carbono e ligações simples carbono-hidrogênio. E isso significa que a única maneira da supercola interagir com esses dois polímeros é por meio de algo chamado forças de van der Waals.

Agora, as forças ou interações de van der Waals são definidas pelo que elas não são. Elas não são ligações covalentes, não são ligações iônicas e não são ligações de hidrogênio. Elas são todas as outras maneiras pelas quais duas moléculas diferentes podem interagir uma com a outra. E crucialmente, elas são o tipo mais fraco de atração intermolecular possível.

Então agora temos dois fatos a considerar. O fato número um é que polietileno e polipropileno só podem ser unidos usando interações de van der Waals. O fato número dois é que a supercola faz um trabalho ruim de unir polietileno e polipropileno. Juntos, esses fatos significam que a supercola não pode depender muito das forças de van der Waals para fazer o que faz, porque se dependesse, seria boa para unir essas coisas.

Mas se isso é verdade, então em que ele se baseia? Ligações covalentes, ligações iônicas, ligações de hidrogênio. Existe alguma outra ligação misteriosa por aí que eu não saiba? É mágica?

Então bati minha cabeça contra a parede do Google Acadêmicos um pouco mais, até que finalmente encontrei esses dois artigos de 2021 e 2023. Agora, observe que isso é realmente recente. E este artigo de 2021 afirma e eu cito, “Apesar de seu uso comercial”, e por comercial eles querem dizer supercolas, “o mecanismo exato de ligação é virtualmente desconhecido”.

Então não era só eu, ninguém sabia como a supercola funcionava até que esses cientistas descobriram. E o que eles fizeram é realmente interessante. Eles giraram películas muito finas de supercola em placas de metal ou óxido de metal e então usaram um monte de técnicas espectroscópicas para olhar muito especificamente para a interface entre os dois materiais.

E eles descobriram duas coisas interessantes. Primeiro, que a supercola faz ligações de hidrogênio entre si e a superfície com a qual está em contato. Agora, isso não é tão chocante, porque na supercola temos muitos desses grupos carbonila. E em superfícies como essa superfície de óxido de metal, geralmente temos muitos grupos hidroxila. Então você esperaria alguma formação de ligações de hidrogênio. Mas a segunda coisa que eles descobriram é absolutamente impressionante.

Então o que está acontecendo aqui na seção superior é basicamente que a supercola está perdendo esse grupo etóxi e formando um grupo carboxilato. E então o que acontece é que aqui embaixo, a superfície do óxido de metal perde um grupo hidroxila, o que deixa um metal carregado positivamente átomo bem na rede aqui. E esse átomo de metal carregado positivamente interage com um grupo carboxila carregado negativamente formando, e essa é a parte impressionante, uma ligação iônica. E geralmente ligações iônicas são o tipo mais forte de ligação.

Então eu me pergunto quanta força de supercola vem disso. Sim, oi, eu do futuro de novo. Então essa estrutura também está errada. Eu estava olhando para essa figura, que mostra a ligação iônica recém-descoberta. Agora, se eu estivesse prestando atenção, eu teria notado que essa estrutura de morcego em forma de asa não é para ser a unidade de repetição de polietilcianoacrilato. Mas eu não estava prestando atenção, então eu estraguei todas as estruturas no vídeo inteiro.

(George gritando)

Então, esses dois artigos fornecem a primeira explicação de como a supercola gruda em outras coisas, o que quer dizer a primeira explicação de como a supercola realmente funciona. Ufa. Então, sabemos que a supercola funciona por ligação iônica e ligação de hidrogênio. Então, isso nos dá uma pista de como a eletroadesão funciona? Lembra da eletroadesão? É sobre isso que este vídeo é?

Bem, eu não sei, mas sei que os pesquisadores que descobriram a eletroadesão estão a meia hora daqui. Então, vamos perguntar a eles.

– Temos uma frase em nossa seção experimental, “Carnes foram compradas da Whole Foods”, e as pessoas perceberam isso no Twitter.

Estes são os pesquisadores, e esta é a configuração, parece familiar, certo? Mas eles, é claro, trabalharam em todos os detalhes. Então, seus géis aderiram muito melhor do que os meus.

Ah, sim, uau, isso é realmente… Tipo, está lá. Não sei por que estou surpreso.

E claro, reversível de forma limpa, veja como ficou limpo. As bananas deles também grudaram muito melhor, não que seja algum tipo de competição. Ah, cara, isso realmente, isso realmente gruda ali. Lá vamos nós, uau.

Então, em um ambiente mais tranquilo, eles me contaram sua hipótese sobre o mecanismo por trás de tudo isso.

– Então isso significa que há uma reação que causa adesão.

(George) Primeiro, é uma reação química.

– Há ligações sendo formadas nessa interface grafite-gel ou metal-gel. E então temos alguma evidência para tal formação de ligações a partir da espectroscopia infravermelha. O ponto muito interessante é que há alguma reversão dessas ligações.

(George) Certo, mas dizer apenas que há algumas ligações se formando e então elas se quebram não parece ser muito detalhado. Então o que eu realmente quero aqui é o mecanismo que explica tudo isso.

– A razão pela qual hesitamos em generalizar é que esse fenômeno funciona para uma gama surpreendente de pares.

Certo, sim.

– Grafite com vários géis.

Sim.

– Vários metais com vários géis.

Sim.

– E também traríamos as frutas, a carne e tudo mais.

(George) Sim. Eles fizeram isso com carne também, a propósito.

– Todos eles têm químicas muito diferentes.

(George) Certo, sim.

– Então não pode ser uma química só.

(George) Certo.

– Se fosse uma resposta simples, já a teríamos encontrado.

Certo. Mas a parte mais difícil de tudo isso é que nem sequer conhecemos todas as diferentes situações em que a eletroadesão funciona. Essa descoberta é tão nova que pode levar anos ou mesmo décadas para aprender o suficiente sobre ela para chegar a um mecanismo generalizado.

– O porquê é provavelmente menos importante do que o que mais podemos fazer com ele?

Sim.

– Não é possível ter um mecanismo universal a menos que ele possa realmente abranger tudo.

Sim.

– E então estamos apenas agora descobrindo o que mais pode acontecer. Então, acho que ainda há coisas para descobrir.

Sim, com certeza.

– Então, mais uma vez, mais um ponto, que não quero deixar no vídeo.

(George) Claro, sim. E eles ainda estão trabalhando nisso, e é por isso que tivemos que parar de gravar, porque ele está me contando algumas coisas secretas aqui que ainda não foram publicadas. Quer dizer, não vai ser segredo para sempre, vai ser publicado em algum momento.

Referência: “Reversibly Sticking Metals and Graphite to Hydrogels and Tissues” por Wenhao Xu, Faraz A. Burni e Srinivasa R. Raghavan, 13 de março de 2024, Ciência Central ACS.
DOI: 10.1021/acscentsci.3c01593