A automontagem é onipresente no mundo natural, servindo como uma rota para formar estruturas organizadas em todos os organismos vivos. Esse fenômeno pode ser visto, por exemplo, quando duas fitas de DNA – sem qualquer estímulo externo ou orientação – se unem para formar uma dupla hélice, ou quando um grande número de moléculas se combinam para criar membranas ou outras estruturas celulares vitais. Tudo vai para o seu devido lugar sem que um construtor invisível tenha que juntar todas as peças, uma de cada vez.
Nas últimas duas décadas, cientistas e engenheiros têm seguido o exemplo da natureza, projetando moléculas que se montam na água, com o objetivo de fazer nanoestruturas, principalmente para aplicações biomédicas, como administração de medicamentos ou engenharia de tecidos. “Esses materiais baseados em pequenas moléculas tendem a se degradar rapidamente”, explica Julia Ortony, professora assistente do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais (DMSE) do MIT, “e eles também são quimicamente instáveis. Toda a estrutura se desintegra quando você remova a água, principalmente quando qualquer tipo de força externa for aplicada. ”
Ela e sua equipe, no entanto, projetaram uma nova classe de pequenas moléculas que se agrupam espontaneamente em nanofitas com uma força sem precedentes, retendo sua estrutura fora da água. Os resultados desse esforço de vários anos, que poderia inspirar uma ampla gama de aplicações, foram descritos em 21 de janeiro na Nature Nanotechnology de Ortony e co-autores.
“Este trabalho seminal – que produziu propriedades mecânicas anômalas por meio de automontagem altamente controlada – deve ter um grande impacto no campo”, afirma o professor Tazuko Aida, vice-diretor do RIKEN Center for Emergent Matter Science e professor de química e biotecnologia no Universidade de Tóquio, que não participou da pesquisa.
O material que o grupo do MIT construiu – ou melhor, permitiu que se construísse – é modelado a partir de uma membrana celular. Sua parte externa é “hidrofílica”, o que significa que gosta de estar na água, enquanto sua parte interna é “hidrofóbica”, o que significa que tenta evitar a água. Essa configuração, comenta Ortony, “fornece uma força motriz para a automontagem”, pois as moléculas se orientam para minimizar as interações entre as regiões hidrofóbicas e a água, assumindo, conseqüentemente, uma forma em nanoescala.
A forma, neste caso, é conferida pela água e, normalmente, toda a estrutura entraria em colapso quando seca. Mas Ortony e seus colegas bolaram um plano para impedir que isso acontecesse. Quando as moléculas estão fracamente ligadas, elas se movem rapidamente, de forma análoga a um fluido; conforme a intensidade das forças intermoleculares aumenta, o movimento fica mais lento e as moléculas assumem um estado de tipo sólido. A ideia, explica Ortony, “é desacelerar o movimento molecular por meio de pequenas modificações nas moléculas individuais, o que pode levar a uma mudança coletiva, e esperançosamente dramática, nas propriedades da nanoestrutura”.
Uma forma de desacelerar as moléculas, observa Ty Christoff-Tempesta, um Ph.D. aluno e primeiro autor do artigo, “é fazer com que eles se agarrem uns aos outros com mais força do que em sistemas biológicos.” Isso pode ser realizado quando uma rede densa de fortes ligações de hidrogênio unem as moléculas. “É isso que dá a um material como o Kevlar – construído com as chamadas ‘aramidas’ – sua estabilidade e resistência química”, afirma Christoff-Tempesta.
A equipe de Ortony incorporou essa capacidade ao projeto de uma molécula que tem três componentes principais: uma parte externa que gosta de interagir com a água, aramidas no meio para se ligar e uma parte interna que tem forte aversão à água. Os pesquisadores testaram dezenas de moléculas que atendiam a esses critérios antes de encontrar o design que levou a longas fitas com espessura em escala nanométrica. Os autores então mediram a força e a rigidez das nanofitas para entender o impacto da inclusão de interações do tipo Kevlar entre as moléculas. Eles descobriram que as nanofitas eram inesperadamente robustas – mais fortes do que o aço, na verdade.
Essa descoberta levou os autores a se perguntarem se as nanofitas poderiam ser agrupadas para produzir materiais macroscópicos estáveis. O grupo de Ortony criou uma estratégia pela qual nanofitas alinhadas eram puxadas em longos fios que podiam ser secos e manuseados. Notavelmente, a equipe de Ortony mostrou que os fios podiam suportar 200 vezes seu próprio peso e ter áreas de superfície extraordinariamente altas – 200 metros quadrados por grama de material. “Essa alta proporção de superfície para massa oferece uma promessa para tecnologias de miniaturização, realizando mais química com menos material”, explica Christoff-Tempesta. Para isso, eles já desenvolveram nanofitas cujas superfícies são revestidas com moléculas que podem puxar metais pesados, como chumbo ou arsênico, da água contaminada. Outros esforços do grupo de pesquisa visam o uso de nanofitas agrupadas em dispositivos eletrônicos e baterias.
Ortony, por sua vez, ainda está surpreso por eles terem conseguido atingir seu objetivo original de pesquisa de “ajustar o estado interno da matéria para criar nanoestruturas moleculares excepcionalmente fortes”. As coisas poderiam facilmente ter acontecido de outra maneira; esses materiais podem ter se mostrado desorganizados ou suas estruturas frágeis, como seus antecessores, apenas resistindo à água. Mas, diz ela, “ficamos entusiasmados em ver que nossas modificações na estrutura molecular foram de fato amplificadas pelo comportamento coletivo das moléculas, criando nanoestruturas com propriedades mecânicas extremamente robustas. A próxima etapa, descobrir as aplicações mais importantes, será emocionante.”
Publicado em 02/02/2021 10h50
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