Novo material polimérico usa dióxido de carbono para auto-reparo

Um material desenhado por MIT os engenheiros químicos podem reagir com o dióxido de carbono do ar, para crescer, fortalecer e até mesmo reparar-se. O polímero, que poderá algum dia ser utilizado como material de construção ou reparação ou para revestimentos de protecção, converte continuamente o gás com efeito de estufa num material à base de carbono que se reforça.

A versão atual do novo material é uma substância sintética semelhante a um gel que realiza um processo químico semelhante ao modo como as plantas incorporam o dióxido de carbono do ar nos seus tecidos em crescimento. O material poderia, por exemplo, ser transformado em painéis de matriz leve que poderiam ser enviados para um canteiro de obras, onde endureceriam e solidificariam apenas com a exposição ao ar e à luz solar, economizando assim energia e custos de transporte.

A descoberta é descrita em um artigo na revista Advanced Materials, do professor Michael Strano, do pós-doutorado Seon-Yeong Kwak e de oito outros do MIT e da Universidade da Califórnia em Riverside.

“Este é um conceito completamente novo na ciência dos materiais”, diz Strano, professor de engenharia química da Carbon C. Dubbs. “O que chamamos de materiais fixadores de carbono ainda não existe hoje” fora do domínio biológico, diz ele, descrevendo materiais que podem transformar o dióxido de carbono no ar ambiente numa forma sólida e estável, usando apenas a energia da luz solar, apenas como fazem as plantas.

Desenvolver um material sintético que não só evite o uso de combustíveis fósseis para a sua criação, mas que realmente consuma dióxido de carbono do ar, traz benefícios óbvios para o meio ambiente e o clima, apontam os pesquisadores. “Imagine um material sintético que pudesse crescer como árvores, retirando o carbono do dióxido de carbono e incorporando-o na espinha dorsal do material”, diz Strano.

O material que a equipe usou nesses experimentos iniciais de prova de conceito utilizou um componente biológico – cloroplastos, os componentes que captam a luz dentro das células vegetais, que os pesquisadores obtiveram das folhas de espinafre. Os cloroplastos não estão vivos, mas catalisam a reação do dióxido de carbono à glicose. Os cloroplastos isolados são bastante instáveis, o que significa que tendem a parar de funcionar após algumas horas quando retirados da planta. Em seu artigo, Strano e seus colegas demonstram métodos para aumentar significativamente a vida catalítica dos cloroplastos extraídos. Em trabalhos atuais e futuros, o cloroplasto está sendo substituído por catalisadores de origem não biológica, explica Strano.

O material utilizado pelos pesquisadores, uma matriz de gel composta por um polímero feito de aminopropil metacrilamida (APMA) e glicose, uma enzima chamada glicose oxidase, e os cloroplastos, fica mais forte à medida que incorpora o carbono. Ainda não é forte o suficiente para ser usado como material de construção, embora possa funcionar como material de preenchimento ou revestimento de fissuras, dizem os pesquisadores.

A equipe desenvolveu métodos para produzir materiais desse tipo em toneladas e agora está se concentrando na otimização das propriedades do material. Aplicações comerciais, como revestimentos autocurativos e preenchimento de fissuras, são realizáveis ​​no curto prazo, dizem eles, ao passo que são necessários avanços adicionais na química da espinha dorsal e na ciência dos materiais antes que materiais de construção e compósitos possam ser desenvolvidos.

Uma vantagem importante de tais materiais é que eles seriam auto-reparáveis ​​após exposição à luz solar ou alguma iluminação interna, diz Strano. Se a superfície estiver arranhada ou rachada, a área afetada cresce para preencher as lacunas e reparar os danos, sem necessidade de qualquer ação externa.

Embora tenha havido um esforço generalizado para desenvolver materiais auto-curativos que possam imitar esta capacidade dos organismos biológicos, dizem os investigadores, todos estes requerem uma contribuição externa activa para funcionar. Aquecimento, luz UV, estresse mecânico ou tratamento químico foram necessários para ativar o processo. Por outro lado, esses materiais não precisam de nada além de luz ambiente e incorporam massa de carbono na atmosfera, que é onipresente.

O material começa como um líquido, diz Kwak, acrescentando: “é emocionante observá-lo à medida que começa a crescer e a agrupar-se” numa forma sólida.

“A ciência dos materiais nunca produziu algo assim”, diz Strano. “Esses materiais imitam alguns aspectos de algo vivo, mesmo que não esteja se reproduzindo.” Como a descoberta abre uma ampla gama de possíveis pesquisas de acompanhamento, o Departamento de Energia dos EUA está patrocinando um novo programa dirigido por Strano para desenvolvê-la ainda mais.

“O nosso trabalho mostra que o dióxido de carbono não precisa de ser apenas um fardo e um custo”, diz Strano. “Também é uma oportunidade nesse sentido. Há carbono em todo lugar. Construímos o mundo com carbono. Os humanos são feitos de carbono. Fazer um material que possa acessar o carbono abundante ao nosso redor é uma oportunidade significativa para a ciência dos materiais. Desta forma, o nosso trabalho consiste em produzir materiais que não sejam apenas neutros em carbono, mas também negativos em carbono.”

A equipe de pesquisa incluiu Juan Pablo Giraldo da UC Riverside, Tedrick Lew, Min Hao Wong, Pingwei Liu, Yun Jung Yang, Volodymyr Koman, Melissa McGee e Bradley Olsen do MIT. O trabalho foi apoiado pelo Departamento de Energia dos EUA.

Referência: “Polimetacrilamida e Compósitos de Carbono que Crescem, Fortalecem e Auto-Reparam usando Fixação Ambiental de Dióxido de Carbono”, por Seon-Yeong Kwak, Juan Pablo Giraldo, Tedrick Thomas Salim Lew, Min Hao Wong, Pingwei Liu, Yun Jung Yang, Volodymyr B. Koman, Melissa K. McGee, Bradley D. Olsen e Michael S. Strano, 9 de outubro de 2018, Materiais avançados.
DOI: 10.1002/adma.201804037