Forte como vidro

25 de julho de 2023 | Kim Krieger - Comunicações UConn

Ao construir uma estrutura de DNA e depois revesti-la com vidro, os pesquisadores criaram um material muito forte com densidade muito baixa

(Imagens Getty)

Materiais fortes e leves podem melhorar tudo, desde carros até armaduras corporais. Mas geralmente as duas qualidades são mutuamente exclusivas. Agora, pesquisadores e colegas da Universidade de Connecticut desenvolveram um material extraordinariamente forte e leve usando dois blocos de construção improváveis: DNA e vidro.

“Para a densidade dada, o nosso material é o mais forte conhecido”, diz Seok-Woo Lee, cientista de materiais da UConn. Lee e colegas da UConn, Columbia University e Brookhaven National Lab relatam os detalhes em 19 de julho na Cell Reports Physical Science.

A força é relativa. O ferro, por exemplo, pode suportar 7 toneladas de pressão por centímetro quadrado. Mas também é muito denso e pesado, pesando 7,8 gramas/centímetro cúbico. Outros metais, como o titânio, são mais fortes e mais leves que o ferro. E certas ligas que combinam vários elementos são ainda mais fortes. Materiais fortes e leves permitiram armaduras leves, melhores dispositivos médicos e tornaram carros e aviões mais seguros e rápidos. A maneira mais fácil de ampliar a autonomia de um veículo elétrico, por exemplo, não é aumentar a bateria, mas sim tornar o próprio veículo mais leve, sem sacrificar a segurança e a vida útil. Mas as técnicas metalúrgicas tradicionais atingiram um limite nos últimos anos, e os cientistas de materiais tiveram que ser ainda mais criativos para desenvolver novos materiais leves e de alta resistência.

Agora, Lee e colegas relatam que, ao construir uma estrutura a partir de ADN e depois revesti-la com vidro, criaram um material muito forte com densidade muito baixa. O vidro pode parecer uma escolha surpreendente, pois quebra facilmente. No entanto, o vidro geralmente quebra devido a uma falha – como uma rachadura, um arranhão ou falta de átomos – em sua estrutura. Um centímetro cúbico de vidro impecável pode suportar 10 toneladas de pressão, mais de três vezes a pressão que implodiu o submersível Oceangate Titan perto do Titanic no mês passado.

É muito difícil criar um grande pedaço de vidro sem falhas. Mas os pesquisadores sabiam como fazer peças muito pequenas e perfeitas. Contanto que o vidro tenha menos de um micrômetro de espessura, quase sempre é perfeito. E como a densidade do vidro é muito menor que a dos metais e da cerâmica, quaisquer estruturas feitas de vidro nanométrico impecável devem ser fortes e leves.

A equipe criou uma estrutura de DNA automontável. Quase como Magnatiles, pedaços de DNA de comprimentos e química específicos se uniram em um esqueleto do material. Imagine a estrutura de uma casa ou edifício, mas feita de DNA.

Oleg Gang e Aaron Mickelson, cientistas de nanomateriais da Universidade de Columbia e do Centro de Nanomateriais Funcionais de Brookhaven, revestiram então o DNA com uma camada muito fina de material semelhante a vidro, com apenas algumas centenas de átomos de espessura. O vidro apenas cobriu os filamentos de DNA, deixando uma grande parte do volume material como espaço vazio, muito parecido com os quartos de uma casa ou edifício. O esqueleto do DNA reforçou o revestimento fino e perfeito do vidro, tornando o material muito forte, e os vazios que compõem a maior parte do volume do material o tornaram leve. Como resultado, as estruturas nanorreticuladas de vidro têm resistência quatro vezes maior, mas densidade cinco vezes menor que o aço. Esta combinação incomum de leveza e alta resistência nunca foi alcançada antes.

“A capacidade de criar nanomateriais de estrutura 3D projetados usando DNA e mineralizá-los abre enormes oportunidades para a engenharia de propriedades mecânicas. Mas ainda é necessário muito trabalho de pesquisa antes que possamos empregá-lo como tecnologia”, diz Gang.

A equipe está atualmente trabalhando com a mesma estrutura de DNA, mas substituindo o vidro por cerâmicas de metal duro ainda mais fortes. Eles planejam experimentar diferentes estruturas de DNA para ver qual torna o material mais forte. Os futuros materiais baseados neste mesmo conceito são muito promissores como materiais economizadores de energia para veículos e outros dispositivos que priorizam a resistência. Lee acredita que a nanoarquitetura de origami de DNA abrirá um novo caminho para criar materiais mais leves e mais fortes que nunca imaginamos antes.