Ver o interior dos géis inteligentes
Os cientistas captam o comportamento dinâmico sob stress
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Os avanços na ciência dos materiais levaram ao desenvolvimento de "materiais inteligentes", cujas propriedades não permanecem estáticas, mas mudam em resposta a estímulos externos. Um desses materiais é a poli( N -isopropilacrilamida), ou PNIPAM, um gel de polímero que altera a sua solubilidade com a temperatura. O polímero contém grupos amida hidrofílicos e grupos isopropilo hidrofóbicos. A baixas temperaturas, os grupos amida formam fortes ligações de hidrogénio com a água, mantendo o material bem inchado e solúvel. No entanto, à medida que a temperatura aumenta, estas ligações de hidrogénio enfraquecem enquanto as interações hidrofóbicas se fortalecem, fazendo com que as cadeias de polímeros colapsem em glóbulos compactos. Esta transição ocorre na temperatura crítica inferior da solução (LCST), que é de aproximadamente 32 °C, próxima da temperatura do corpo humano. Isto torna o PNIPAM especialmente atrativo para aplicações biomédicas. Por exemplo, pode transportar moléculas bioactivas enquanto está inchado e libertá-las no corpo através da desinflamação. Além disso, uma vez que as forças de cisalhamento dos fluidos corporais estão presentes no corpo humano, é crucial investigar o comportamento do PNIPAM em condições específicas.
Esquema do dispositivo de reo-impedância personalizado, que aplica simultaneamente tensão de cisalhamento e mede as propriedades eléctricas variáveis do gel. Este dispositivo pode revelar, de forma dinâmica e não invasiva, como a estrutura interna e a condutividade do gel evoluem em condições reais, fornecendo dados cruciais para a conceção de melhores materiais inteligentes.
Dr. Isao Shitanda from Tokyo University of Science Image source link: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.langmuir.5c04227
Embora existam vários estudos sobre as transições de fase destes géis inteligentes, a investigação sobre a estrutura interna e a condutividade eléctrica continua por esclarecer. Neste contexto, foi realizado um novo estudo.
"Nenhum estudo observou alterações estruturais microscópicas no interior do gel em condições de tensão de cisalhamento, ou variações na condutividade eléctrica no interior do gel decorrentes de alterações estruturais macroscópicas durante as transições de fase. Espera-se que as nossas descobertas sejam muito úteis para compreender os mecanismos funcionais dos géis poliméricos sensíveis à temperatura em condições de fluxo", afirma o Dr. Shitanda.
Para investigar este comportamento, os investigadores construíram um dispositivo de reo-impedância. Este combina um reómetro e um potenciostato. O reómetro mede a rigidez ou a suavidade do gel sob força e o potenciostato mede o movimento das cargas eléctricas através do gel. Utilizaram também a dispersão de raios X a baixo ângulo (SAXS) para observar diretamente como a estrutura interna do gel se reorganizava durante o aquecimento.
Nas suas experiências, a equipa aqueceu e arrefeceu repetidamente o gel entre 20-50 °C enquanto aplicava tensões de cisalhamento controladas ao material, simulando aplicações em tempo real. Durante estes ciclos, mediram continuamente a alteração da impedância eléctrica do gel num amplo espetro de frequências.
Abaixo da LCST, o gel comporta-se como uma rede hidratada e flexível onde os iões se movem facilmente, o que resulta numa boa condutividade eléctrica. Quando a temperatura sobe acima da LCST, formam-se regiões hidrofóbicas no interior do gel. Estas regiões actuam como pequenas manchas isolantes que bloqueiam o movimento dos iões, provocando a acumulação de carga e alterando tanto a resistência como a capacitância.
A tensão de cisalhamento produziu efeitos adicionais. Em tensões baixas, entre 1-5%, a força aplicada empurrou a solução de eletrólito para fora das regiões hidrofóbicas, abrindo caminhos mais condutores. A tensões moderadas, entre 5-10%, o cisalhamento contínuo expulsou ainda mais eletrólito do interior do gel, diminuindo a condutividade. Com tensões elevadas, entre 10-20%, os domínios hidrofóbicos internos começaram a separar-se. Isto criou novas lacunas e reorganizou a rede de forma a aumentar novamente a condutividade.
Estas alterações estruturais foram confirmadas através de medições de reo SAXS, que mostraram a mudança do gel de uma rede uniforme para uma estrutura separada por fases com domínios hidrofílicos e hidrofóbicos distintos sob tensão.
O PNIPAM já é utilizado em sistemas de administração de medicamentos, suportes celulares e microactuadores devido ao seu comportamento mecânico e elétrico sensível à temperatura. O PNIPAM é altamente biocompatível e pode ser carregado com fármacos. Durante a administração, os microgéis são reunidos no local alvo e, após um ligeiro aquecimento, ocorre uma transição de fase que conduz à libertação do fármaco. Uma vez que a estrutura interna do gel está relacionada com a resistência mecânica, o PNIPAM pode ser utilizado para conceber robôs macios e sensores flexíveis. Este novo método de reo-impedância proporciona uma forma não invasiva de sondar a rede interna de tais géis e oferece uma orientação valiosa para o desenvolvimento da próxima geração de polímeros inteligentes. Os investigadores referem que esta abordagem pode ser aplicada ao controlo de qualidade de produtos à base de gel, como cosméticos, alimentos e produtos farmacêuticos, bem como a electrólitos de polímeros.
"Ao contrário das medições estáticas convencionais, esta abordagem permite uma avaliação dinâmica in situ das transições funcionais nos hidrogéis e estabelece uma base metodológica para alargar a análise de reo-impedância. Espera-se que este se torne um novo método de avaliação para melhorar a durabilidade dos materiais", afirma o Dr. Shitanda.
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Inglês pode ser encontrado aqui.
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