Um hidrogel projetado com partículas semelhantes a células que imitam o tecido da pele atinge 99,9% de compressibilidade e perda de energia ultrabaixa, ao mesmo tempo que gera sua própria voltagem para detectar a tensão sem baterias.
(Nanoenergia em destaque) Hidrogéis deve ser o materials supreme para sensores vestíveis. Estas redes de polímeros, inchadas com água para compreender até 90% da sua massa, podem esticar-se, conduzir iões e interagir perfeitamente com sistemas biológicos. No entanto, um problema persistente bloqueou o seu caminho para a utilização generalizada: as propriedades mecânicas necessárias para aplicações no mundo actual trabalham umas contra as outras.
A resistência requer ligações químicas sacrificiais que se rompem sob estresse e se reformam posteriormente. Mas esta quebra e reforma cria atrito interno, que se manifesta como histerese: energia que vai para deformar o materials, mas nunca mais volta. Um hidrogel com alta histerese se recupera lentamente, varia em suas medidas e se desgasta rapidamente.
Os engenheiros tentaram criar camadas de redes de polímeros, incorporar nanopartículas e introduzir domínios cristalinos. Cada estratégia melhorou uma propriedade enquanto degradou outras. A compressibilidade revelou-se especialmente difícil; a maioria dos hidrogéis falham quando comprimidos além de 90% de sua espessura unique.
O tecido epitelial oferece uma pista para resolver este problema. Na pele e em outros órgãos, as células epiteliais compactam-se firmemente e deformam-se coletivamente sob estresse mecânico. Cada célula absorve força, muda de forma e se recupera sem perder energia por fricção. Se um materials sintético pudesse replicar esta arquitetura celular, poderia escapar das compensações que afetam os hidrogéis convencionais.
Uma equipa de investigação da Universidade de Hunan, na China, demonstrou agora esta abordagem. Publicando suas descobertas em Ciência Avançada (“Inspirados no epitélio, com resistência ultra-alta, histerese ultrabaixa e hidrogéis poliméricos altamente compressíveis como sensores de tensão autoalimentados, visuais e subaquáticos”), os pesquisadores descrevem um hidrogel cuja estrutura interna imita diretamente a organização celular do epitélio, alcançando uma combinação de propriedades que os materiais anteriores não conseguiam alcançar.
A principal inovação envolve a criação do que os pesquisadores chamam de “partículas semelhantes a células” dentro da estrutura do hidrogel. A equipe sintetizou essas partículas microscópicas usando uma emulsão de alta fase interna de água em óleo, uma técnica que dispersa minúsculas gotículas de água contendo monômeros dissolvidos (pequenas moléculas que se ligam para formar polímeros) em toda uma fase oleosa, criando um modelo para a formação de partículas quando os monômeros polimerizam. Estas partículas resultantes funcionam de forma análoga às células epiteliais biológicas. Eles se deformam reversivelmente sob estresse mecânico, se dividem em unidades menores e se reagregam quando o estresse aumenta, tudo isso sem perder energia significativa devido ao atrito ou danos permanentes.
O materials resultante, que os pesquisadores chamaram de PLTAV em homenagem aos seus componentes poliméricos, contém 90,4% em peso de água, mas demonstra forte desempenho mecânico. Ele se estende até 1.368% de seu comprimento unique antes de quebrar e suporta valores de tenacidade de 2,64 MJ·m⁻³. Mais notavelmente, exibe uma histerese de apenas 4,7% a 300% de tensão, o que significa que retorna quase toda a energia investida na sua deformação.
O hidrogel também comprime até 99,9% da sua espessura unique e ainda recupera a sua forma, ultrapassando em muito o limite de 90% dos materiais anteriores. Manteve essas propriedades durante 600 ciclos de carga e descarga com tensão de 1300%, demonstrando durabilidade excepcional.
Os pesquisadores então desenvolveram uma versão aprimorada chamada PLTAV-SC, mergulhando o hidrogel unique em uma solução de sorbitol, um álcool de açúcar comum, e cloreto de colina, um composto nutriente. Esta modificação explora dois efeitos complementares. Primeiro, um efeito de hidratação interrompe a formação de cristais de gelo, permitindo que o materials permaneça flexível em temperaturas tão baixas quanto -45 °C. Em segundo lugar, um efeito de salga faz com que as cadeias poliméricas se agreguem e enrijeçam, aumentando a resistência mecânica.
O hidrogel PLTAV-SC alcançou extensibilidade ainda maior de 2021% e tenacidade de 6,10 MJ·m⁻³. Ele manteve baixa histerese e extrema compressibilidade enquanto ganhava resistência ao congelamento que faltava aos hidrogéis anteriores.
O que torna esses materiais particularmente valiosos para aplicações de detecção é o seu comportamento elétrico único. As partículas semelhantes a células contêm segmentos de polímero iônico com grupos carregados positivamente e ânions brometo livres. Quando o hidrogel se estica ou comprime, esses íons migram em taxas diferentes. Os grandes íons ligados ao polímero movem-se lentamente, enquanto os pequenos íons brometo se movem rapidamente. Essa diferença gera uma tensão mensurável por meio do que os físicos chamam de efeito piezoiônico, permitindo que o hidrogel funcione como um sensor de deformação autoalimentado sem a necessidade de bateria externa.
O sensor PLTAV detecta deformação por tração com uma sensibilidade de 3,6 mV por deformação de 100% e deformação compressiva de até 25 mV por deformação de 100%. Os sensores mantiveram uma saída de tensão estável em vários ciclos e diferentes velocidades de compressão. A -45 °C, a sensibilidade máxima do sensor PLTAV-SC aumentou para 40 mV por deformação de 100% porque o frio desacelerou ainda mais os íons maiores, amplificando a diferença de mobilidade.
Além da detecção autoalimentada, os hidrogéis incorporam uma molécula fluorescente que brilha em azul sob luz ultravioleta. No hidrogel não esticado, estas moléculas agrupam-se em agregados que emitem fluorescência brilhante. À medida que o materials se estica, as cadeias poliméricas se separam e espalham esses aglomerados, fazendo com que o brilho diminua proporcionalmente à tensão. Isto cria um indicador visible de deformação útil para monitorar a integridade estrutural.
Para detecção convencional baseada em resistência, o sensor PLTAV alcançou uma resposta linear em uma faixa de deformação de 0,5% a 1300%, com tempos de resposta e recuperação de 38 e 40 milissegundos. Essas velocidades excedem significativamente as de muitos sensores de deformação relatados anteriormente.
Os pesquisadores também demonstraram aplicações subaquáticas encapsulando os sensores em um revestimento repelente à água. Esses sensores impermeabilizados detectaram movimento humano, velocidade de fluxo de água de até 9,6 L/min e profundidade de água de até 6 metros. A equipe mostrou aplicações práticas, incluindo a transmissão de mensagens em código Morse através de tensões geradas por compressão e a detecção de sinais fisiológicos sutis, como pulsos de pulso debaixo d’água.
Este trabalho estabelece que os princípios de design biológico podem resolver compromissos de engenharia de longa information no desenvolvimento de hidrogel. Ao criar materiais que combinam propriedades mecânicas extremas com múltiplas modalidades de detecção e resistência ao congelamento, a pesquisa aponta para uma nova geração de dispositivos vestíveis, sistemas de monitoramento subaquático e interfaces homem-máquina capazes de operar de forma confiável em ambientes onde os sensores atuais falham.
Por
Miguel
Berger
– Michael é autor de quatro livros da Royal Society of Chemistry:
Nanossociedade: Ultrapassando os Limites da Tecnologia (2009),
Nanotecnologia: o futuro é minúsculo (2016),
Nanoengenharia: as habilidades e ferramentas que tornam a tecnologia invisível (2019), e
Não desperdice! Como as nanotecnologias podem aumentar a eficiência em toda a sociedade (2025) Direitos autorais ©
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