Químicos da Universidade da Califórnia, em Berkeley, criaram um novo tipo de material a partir de milhões de moléculas idênticas e interligadas que, pela primeira vez, permitem a síntese de extensas estruturas 2D ou 3D que são flexíveis, fortes e resilientes, como a cota de malha que protegia a cavaleiros.
O material, chamado catenano infinito, pode ser sintetizado em uma única etapa química.
O químico francês Jean-Pierre Sauvage dividiu o Prêmio Nobel de Química de 2016 por sintetizar o primeiro catenano – dois anéis ligados. Essas estruturas serviram de base para tornar as estruturas moleculares capazes de se mover, muitas vezes chamadas de máquinas moleculares.
Mas a síntese química dos catenanos permaneceu trabalhosa. Adicionar cada anel adicional a um catenano requer outra rodada de síntese química. Nos 24 anos desde que Sauvage criou um catenano de dois anéis, os químicos conseguiram, no máximo, meros 130 anéis entrelaçados em quantidades muito pequenas para serem vistas sem um microscópio eletrônico.
O novo tipo de catenano, produzido no laboratório de Omar Yaghi, professor de química da UC Berkeley, pode ser produzido com um número ilimitado de unidades ligadas em três dimensões. Como as unidades individuais se encaixam mecanicamente e não são conectadas por ligações químicas, as estruturas podem ser flexionadas sem quebrar.
“Achamos que isso tem implicações realmente importantes, não apenas em termos de fabricação de materiais resistentes que não fraturam, mas também materiais que entrariam em robótica, aeroespacial e armaduras e coisas assim”, disse Yaghi, o James e Neeltje Tretter Chair Professor of Chemistry, co-diretor do Kavli Energy NanoSciences Institute e da California Research Alliance da BASF, e cientista-chefe do Bakar Institute of Digital Materials for the Planet da UC Berkeley.
Yaghi e seus colegas, incluindo o primeiro autor Tianqiong Ma, um pós-doutorando da UC Berkeley, relataram detalhes do processo químico esta semana na revista Síntese da Natureza.
química reticular
O salto na produção de catenano é possível por meio de um tipo de química que Yaghi inventou há mais de 30 anos: a química reticular. Ele o descreve como “costurar blocos de construção moleculares em estruturas cristalinas estendidas por ligações fortes”.
Usando essa técnica, ele criou materiais porosos baratos – estruturas metal-orgânicas (MOFs) e estruturas orgânicas covalentes (COFs) – que estão se mostrando úteis na captura, armazenamento ou separação de gases como dióxido de carbono, hidrogênio e vapor d’água. Mais de 100.000 variedades de MOFs foram feitas até o momento.
Para fazer MOFs, é necessário apenas sintetizar as moléculas híbridas certas – aglomerados de metal conectados a um ligante orgânico – e misturá-los em uma solução para que se unam para formar uma rede 3D rígida e altamente porosa. Os grupos químicos dentro da estrutura são escolhidos para ligar e liberar – dependendo da temperatura – moléculas específicas e rejeitar outras.
Um MOF criado por Yaghi pode extrair água até mesmo do ar mais seco e liberá-lo quando aquecido, permitindo a captura de água em desertos.
Para produzir catenanos, Yaghi e Ma sintetizaram uma molécula com um cruzamento entre duas metades idênticas, ligadas covalentemente por um átomo de cobre. A estrutura, que eles chamam de catena-COF, lembra dois bumerangues ligados com um átomo de cobre onde se cruzam. Quando misturadas, essas moléculas se unem para formar uma rede 3D porosa de blocos de construção interligados. Os blocos de construção, um tipo de molécula poliédrica chamada adamantano, basicamente travam seus seis braços para formar uma estrutura estendida.
“O que há de novo aqui é que as unidades de construção têm esses cruzamentos e, por causa dos cruzamentos, você obtém sistemas de intertravamento com propriedades interessantes, flexíveis e resilientes”, disse Yaghi. “Eles são programados para se unirem em uma única etapa. Esse é o poder da química reticular. Em vez de construí-los uma unidade de cada vez para formar a estrutura maior, você realmente os programou para que se unam e cresçam por conta própria. .”
A molécula com um cruzamento pode ser alterada quimicamente para que o catenano final interaja com compostos específicos. Yaghi chama esses materiais(∞) de catenanos, usando o símbolo do infinito.
“Acho que é um primeiro passo para a fabricação de materiais que podem flexionar e potencialmente enrijecer em resposta a estímulos, como um movimento específico”, disse ele. “Portanto, em certas orientações, pode ser muito flexível e, em outras orientações, pode se tornar rígido, apenas por causa da forma como a estrutura é construída.”
Ele observou que, embora esses catenanos se estendam em três direções em um nível microscópico, eles podem ser finos o suficiente para usos bidimensionais, como em roupas. Recentemente, alguns cientistas relataram que criaram MOFs e COFs por impressão 3D, portanto, também pode ser possível imprimir catenanos em 3D, da mesma forma que tecer um tecido.
“Tradicionalmente, esse entrelaçamento é feito por meio de um processo árduo de várias etapas para produzir apenas moléculas com um, dois ou três anéis interligados, ou poliedros. Mas, para fabricar materiais com propriedades incríveis, como resistência e resiliência, você precisa de milhões e milhões desses intertravamentos a serem feitos”, disse ele. “A maneira tradicional de fazê-los simplesmente não funciona. E a química reticular vem com a abordagem de bloco de construção e encontra uma maneira de fazê-lo em uma etapa. Esse é realmente o poder deste relatório.”
O trabalho foi parcialmente financiado pela King Abdulaziz City for Science and Technology e pela Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA, HR001-119-S-0048). Os pesquisadores utilizaram recursos da Fonte de Luz Avançada do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (DOE DE-AC02-05CH11231).
Com informações de Science Daily.
