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Desde meados de 1600, os químicos ficaram fascinados com estruturas coloridas semelhantes a corais que se formam pela mistura de sais de metal em uma pequena garrafa.
Até agora, os pesquisadores não conseguiram modelar como essas estruturas tubulares enganosamente simples – chamadas jardins químicos – funcionam e os padrões e regras que governam sua formação.
Em artigo publicado esta semana no Anais da Academia Nacional de CiênciasPesquisadores da Florida State University apresentam um modelo que explica como essas estruturas crescem para cima, formam formas diferentes e como elas passam de um material flexível e autorrecuperável para um mais frágil.
“Em um contexto de materiais, é muito interessante”, disse o professor de química e bioquímica da FSU, Oliver Steinbock. “Eles não crescem como cristais. Um cristal tem belos cantos afiados e cresce átomo por camada de átomo. E quando ocorre um buraco em um jardim químico, é auto-reparável. Estes são realmente os primeiros passos para aprender como fazer materiais que podem se reconfigurar e se reparar.”
Normalmente, jardins químicos se formam quando partículas de sal metálico são colocadas em uma solução de silicato. O sal dissolvido reage com a solução para criar uma membrana semipermeável que ejeta para cima na solução, criando uma estrutura de aparência biológica, semelhante ao coral.
Os cientistas observaram jardins químicos pela primeira vez em 1646 e durante anos ficaram fascinados com suas interessantes formações. A química está relacionada à formação de respiradouros hidrotermais e à corrosão de superfícies de aço onde podem se formar tubos insolúveis.
“As pessoas perceberam que eram coisas peculiares”, disse Steinbock. “Eles têm uma história muito longa na química. Tornou-se mais como um experimento de demonstração, mas nos últimos 10 a 20 anos, os cientistas voltaram a se interessar por eles.”
A inspiração para o modelo matemático desenvolvido por Steinbock, junto com o pós-doutorando Bruno Batista e a pós-graduanda Amari Morris, veio de experimentos que injetavam continuamente uma solução salina em um volume maior de solução de silicato entre duas placas horizontais. Estes mostraram modos de crescimento distintos e que o material começa como elástico, mas à medida que envelhece, o material torna-se mais rígido e tende a quebrar.
O confinamento entre duas camadas permitiu aos pesquisadores simular vários padrões de formas diferentes, alguns parecendo flores, cabelos, espirais e minhocas.
Em seu modelo, os pesquisadores descreveram como esses padrões surgem ao longo do desenvolvimento do jardim químico. As soluções de sal podem variar muito em composição química, mas seu modelo explica a universalidade na formação.
Por exemplo, os padrões podem consistir em partículas soltas, membranas dobradas ou filamentos autoextensíveis. O modelo também validou observações de que membranas frescas se expandem em resposta a microrupturas, demonstrando as capacidades de autocura do material.
“O bom que conseguimos é que chegamos à essência do que é necessário para descrever a forma e o crescimento dos jardins químicos”, disse Batista.
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