De acordo com pt.wedoany.com-Químicos do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), através de uma abordagem contraintuitiva — adicionar ligações fracas para tornar o material mais forte —, podem transformar plásticos comuns, como o poliestireno, de materiais frágeis em materiais à prova de balas.
A pesquisa é liderada por Jeremiah Johnson, professor da Cátedra A. Thomas Geurtin do Departamento de Química do MIT e membro do Koch Institute for Integrative Cancer Research. Após a equipe incorporar novas moléculas de reticulação chamadas mecanóforos em polímeros comuns, como poliestireno e borracha de estireno-butadieno-estireno (SBS), a resistência dos materiais ao impacto de projéteis foi aprimorada. Os resultados da pesquisa foram publicados na revista Nature e podem impactar setores como o automotivo e o de eletrônicos de consumo.
Johnson afirma que esses agentes de reticulação podem aumentar significativamente a energia absorvida pelo material sob impacto de projéteis. Se o método puder ser estendido a outros polímeros, as perspectivas de aplicação serão muito amplas.
Esta inovação gira em torno de um conceito aparentemente contraditório: tornar o material mais resistente introduzindo pontos fracos. A equipe do MIT adicionou mecanóforos — dispersos no material como ligações de reticulação fracas — permitindo que o polímero dissipe energia de forma mais eficiente sob deformação. Quando atingido por um projétil, essas ligações fracas se rompem seletivamente no ponto de impacto, abrindo canais para maior absorção de energia. O poliestireno é um polímero vítreo e rígido usado na fabricação de recipientes plásticos, garrafas, copos, talheres descartáveis e revestimentos de dispositivos eletrônicos. De acordo com o MIT, embora às vezes seja marcado com o código de reciclagem 6, o poliestireno é difícil de reciclar e raramente é coletado para reutilização nos Estados Unidos.
Este estudo baseia-se em uma pesquisa de 2023 conduzida por Johnson e seus colegas do MIT e da Duke University, que mostrou que agentes de reticulação fracos podem tornar os polímeros mais resistentes sob condições de rasgo lento. À medida que uma trinca começa a se propagar no material, os mecanóforos se dividem em duas partes, ajudando a dissipar energia e alterar a direção da trinca, o que significa que é necessário mais energia para rasgar o material.
Ao contrário do trabalho anterior focado em rasgo lento, esta nova pesquisa concentra-se no desenvolvimento de estratégias baseadas em mecanóforos para resistir à deformação rápida causada por impactos súbitos. Os pesquisadores incorporaram mecanóforos diretamente como agentes de reticulação em polímeros comuns e, em seguida, realizaram testes usando o teste de impacto de microprojéteis induzido por laser (LIPIT). O sistema LIPIT foi inventado pelo coautor sênior Keith Nelson, professor de Química Haslam and Dewey. No teste, microesferas de sílica com cerca de 10 micrômetros de diâmetro são disparadas contra filmes poliméricos a velocidades de aproximadamente 750 metros por segundo. Medindo a mudança de velocidade da partícula antes e depois de atravessar o filme, calcula-se a energia absorvida pelo material.
Os experimentos mostraram que o poliestireno reticulado com mecanóforos absorve muito mais energia do impacto do que o poliestireno comum. Os pesquisadores atribuem esse comportamento a uma transição local de termofixo para termoplástico, impulsionada por força e aquecimento adiabático, onde a ruptura seletiva dos mecanóforos promove deformação viscoplástica no ponto de impacto, mantendo a integridade da rede nas áreas circundantes. Os pesquisadores afirmam que essa estratégia mostrou versatilidade tanto no poliestireno vítreo quanto no copolímero tribloco de estireno-butadieno-estireno (SBS) emborrachado. Esses resultados estabelecem a reticulação por mecanóforos como um princípio de design para transformar polímeros comerciais em materiais resistentes a impactos e abrem caminho na interseção entre a mecanoquímica de polímeros e o comportamento de materiais sob taxas de deformação extremas.
Por meio de experimentos e simulações em colaboração com pesquisadores do MIT, Purdue University, Northwestern University e Duke University, a equipe descobriu como os mecanóforos aumentam a resistência ao impacto. Quando uma partícula de alta velocidade atinge o material, a temperatura no ponto de impacto aumenta o suficiente para formar uma região móvel. Nessa região, as ligações dos mecanóforos se rompem seletivamente sob a ação da força, abrindo canais controlados para absorver melhor a energia do impacto, enquanto as áreas fora do ponto de impacto permanecem relativamente intactas e estáveis. Yoan Simon, professor associado da School of Molecular Sciences da Arizona State University, afirma que essa abordagem pode conferir essa propriedade a plásticos comerciais "prontos para uso", incluindo tanto os vítreos quanto os elastômeros, com o mínimo de intervenção química, sendo bastante escalável e relevante.
Os pesquisadores já inseriram com sucesso mecanóforos na borracha SBS (usada em solas de sapatos, asfalto e materiais de telhado) e observaram efeitos semelhantes. Eles estão explorando se o método pode ser aplicado à borracha de estireno-butadieno (um dos principais componentes de pneus). Se bem-sucedida, a tecnologia poderia produzir pneus mais duráveis e reduzir os microplásticos gerados pelo contato do pneu com a estrada — que representam pelo menos 10% dos microplásticos no meio ambiente. A equipe também está investigando se o método é aplicável a outros tipos de polímeros, como o látex. Katharine Covert, diretora de programa do Centro de Inovação Química da National Science Foundation (NSF), afirma que materiais contendo mecanóforos absorvedores de energia podem um dia ajudar a evitar estouros de pneus de veículos em rodovias ou fornecer carcaças mais protetoras para dispositivos eletrônicos pessoais.
A pesquisa foi financiada pelo Center for the Chemistry of Molecularly Optimized Networks da National Science Foundation, pelo U.S. Army Research Office através do Institute for Soldier Nanotechnologies do MIT, pela Schmidt Science Postdoctoral Fellowship e pelo U.S. Air Force Office of Scientific Research. Os ex-pós-doutorandos do MIT Zhen Sang e Suong T. Nguyen, juntamente com o estudante de pós-graduação do MIT Kwangwook Ko, são os primeiros autores do artigo.
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