Uma nova técnica de polimerização totalmente seca usa vapores reativos para criar filmes finos com propriedades aprimoradas, como resistência mecânica, cinética e morfologia. O processo de síntese é mais suave para o meio ambiente do que a fabricação tradicional de alta temperatura ou baseada em solução e pode levar a revestimentos de polímeros aprimorados para microeletrônica, baterias avançadas e terapêutica.
“Esta técnica escalonável de polimerização por deposição de vapor química iniciada nos permite fazer novos materiais, sem redesenhar ou renovar toda a química. Simplesmente adicionamos um solvente ‘ativo'”, disse Rong Yang, professor assistente na Smith School of Chemical and Biomolecular Engenharia na Cornell Engenharia. “É um pouco como um Lego. Você se une a uma nova peça de conexão. Há uma tonelada que você pode construir agora que não podia fazer antes.”
Esta imagem de micrografia mostra um revestimento de deposição de vapor químico iniciado feito pelo estudante de doutorado Pengyu Chen no laboratório de Rong Yang, professor assistente na Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering em Cornell Engineering.
Yang colaborou no projeto com Jingjie Yeo, professor assistente na Escola Sibley de Engenharia Mecânica e Aeroespacial, e Shefford Baker, professor associado de ciência e engenharia de materiais.
O artigo do grupo, “Engineering Solvation in Initiated Chemical Vapor Deposition for Control over Polymerization Kinetics and Material Properties”, publicado em 9 de fevereiro na Síntese da Natureza. O principal autor é o estudante de doutorado Pengyu Chen. Yang e Yeo são co-autores seniores.
A deposição química de vapor (CVD) é um processo comum usado para produzir nanocamadas inorgânicas livres de defeitos na fabricação de semicondutores e na produção de microchips de computador. Como o processo exige que os materiais sejam aquecidos a 1.000 graus, os polímeros orgânicos não se saem bem. As técnicas de polimerização CVD, como CVD iniciado (iCVD), são contrapartes de baixa temperatura desenvolvidas para a síntese de polímeros. No entanto, também é limitante, disse Yang, porque “ao longo dos anos, as pessoas cresceram até o limite da química que você pode fazer com esse método”.
O laboratório de Yang estuda como os polímeros depositados por vapor interagem com patógenos bacterianos e como as bactérias, por sua vez, colonizam revestimentos poliméricos, desde a tinta usada em cascos de navios até o revestimento de dispositivos biomédicos. Ela e Chen buscaram desenvolver uma abordagem diferente para diversificar os polímeros CVD tomando emprestado um conceito da síntese de soluções convencionais: o uso de um solvente “mágico”, ou seja, uma molécula de vapor inerte, que não é incorporada ao material final, mas sim interage com um precursor de uma forma que produz novas propriedades de material à temperatura ambiente.
“É uma química antiga, mas com novos recursos”, disse Yang.
O solvente, neste caso, interagiu com um monômero CVD comum por ligação de hidrogênio.
“É um mecanismo novo, embora o conceito seja simples e elegante”, disse Chen. “Com base nessa estratégia interessante, estamos desenvolvendo uma ciência robusta e generalizável de engenharia de solvatação.”
Yang e Chen então se voltaram para Yeo, cujo laboratório simulou a dinâmica molecular por trás da interação de solvente e monômero e como sua estequiometria, ou equilíbrio químico, poderia ser ajustada.
“Distinguimos os efeitos de diferentes solventes em escala molecular e observamos claramente quais moléculas de solvente eram mais propensas a se ligar ao monômero”, disse Yeo. “Assim, podemos eventualmente selecionar quais peças de Lego serão capazes de se encaixar melhor umas nas outras.”
Os pesquisadores trouxeram o filme fino resultante para o laboratório de Baker, que usou testes de nanoindentação para estudá-lo e descobriu que o mecanismo de solvatação fortaleceu o material. O solvente também fez com que o revestimento de polímero crescesse mais rápido e mudasse sua morfologia.
Este método agora pode ser aplicado a vários monômeros de metacrilato e vinil – para essencialmente qualquer coisa com um revestimento de polímero, como os materiais dielétricos em microeletrônica, o revestimento anti-incrustante em cascos de navios e as membranas de separação que permitem a purificação no tratamento de águas residuais. A técnica também pode permitir que os pesquisadores manipulem a permeabilidade de produtos farmacêuticos para liberação controlada de medicamentos.
“Isso adiciona uma nova dimensão ao design de materiais. Você pode imaginar todos os tipos de solventes que podem formar ligações de hidrogênio com o monômero e manipular a cinética da reação de maneira diferente. Ou você pode ter moléculas de solvente incorporadas ao seu material permanentemente, se você projetar o molecular interação corretamente”, disse Yang. “Há muito a explorar com esse grau adicional de liberdade daqui para frente.”
Os co-autores incluem Baker, Zheyuan Zhang ’21 MEng ’22 e Zach Rouse, MS ’19.
A pesquisa foi apoiada pela National Science Foundation e pelo Departamento de Pesquisa Naval da Marinha dos Estados Unidos e pela Fleming Scholarship.
Os pesquisadores fizeram uso do Cornell Center for Materials Research, que é apoiado pelo programa NSF MRSEC.
Com informações de Science Daily.
