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Automatizar a construção de estruturas tridimensionais com dimensões de dezenas de milímetros revolucionaria a fabricação de dispositivos para aplicações ópticas, elétricas e biomédicas. Um processo econômico para a construção de tais microestruturas 3D seria “programar” as partes constituintes para se unirem espontaneamente e construir as próprias estruturas. Conduzir componentes de mícron a mesoescala (aproximadamente entre 0,1 a 100 milímetros) para alinhar e montar dinamicamente nas estruturas desejadas, no entanto, continua sendo um objetivo indescritível.
Pesquisadores de engenharia química da Escola de Engenharia Swanson da Universidade de Pittsburgh basearam-se em suas pesquisas anteriores para superar o desafio de projetar tais estruturas auto-alinhadas adequadamente usando mecânica de fluidos, processos químico-mecânicos – e um pouco de viscosidade.
Sua pesquisa, “Engenharia de fluidos confinados para montar estruturas 3D hierárquicas de forma autônoma”, foi publicada em PNAS Nexus. O autor principal é Oleg E. Shklyaev, associado de pós-doutorado com Anna Balazs, Distinguished Professor of Chemical and Petroleum Engineering e John A. Swanson Chair of Engineering, com o ex-post-doc Abhrajit Laskar.
“Um dos desafios fundamentais na construção de qualquer coisa com blocos de construção do tamanho de um mícron é fazer com que os blocos se organizem de forma robusta por conta própria, com pouca intervenção de ferramentas externas, o que poderia interferir na automontagem dinâmica”, explicou Balazs. “O que é maravilhosamente brilhante sobre o sistema que Oleg projetou é que a interação natural entre o fluido e a química realiza o trabalho para construir espontaneamente um sistema robusto”.
Por meio de modelagem por computador, Shklyaev projetou folhas poliméricas bidimensionais com uma folha mais pesada formando a fundação ou base e as outras folhas mais leves como os painéis de construção. Ligações pegajosas são adicionadas a pontos específicos nas folhas para atuar como dobradiças – semelhantes às ligações de moléculas de DNA (A, C, G, T) que são projetadas para se encaixar com precisão.
Os painéis são então jogados em uma solução e afundam em áreas aleatórias do tanque. A adição de um reagente à solução instiga uma reação catalítica, que gera fluxos de fluidos com velocidades verticais e horizontais às paredes confinantes. O fluxo horizontal primeiro move as folhas juntas ao longo do piso da câmara e as ligações adesivas conectam o painel apropriado à base. Em seguida, o fluxo vertical eleva as laterais da estrutura para a posição vertical, onde novamente os painéis são conectados por meio de ligações adesivas para completar a estrutura.
“Essa conversão de energia química (liberada da reação catalítica) em ação mecânica (fluxo de fluido) é uma propriedade inerente do sistema. Ou seja, como a reação catalítica converte reagentes em produtos, ela produz intrinsecamente gradientes de densidade ou concentração na solução. Os gradientes, por sua vez, geram uma força que age sobre o fluido e desencadeia o fluxo. O fluxo atua como “mãos amigas” para montar a estrutura”, explicou Shklyaev. “Através da química, você pode projetar os padrões de variação espacial e temporal que surgem no fluxo e, assim, adaptar o trabalho feito por essas mãos, que também iniciam a cascata de eventos que leva à construção de um tetraedro regular, cubo ou estrutura semelhante. Em princípio, as ligações “pegajosas” nos painéis podem envolver fitas de DNA; a complementaridade das fitas de DNA permite que as ligações sejam altamente seletivas e reconheçam as regiões às quais devem aderir.”
Fechando a tampa do experimento
Ao projetar os fluxos de fluidos, Shklyaev poderia conduzir a auto-organização de um cubo e o fechamento da tampa do cubo, de modo que toda a estrutura se parecesse com uma caixa de comida para viagem. O fluxo de fluido gerado quimicamente atuando nos painéis (através de mecanismos conhecidos como flutuabilidade solutal e difusioosmose) eventualmente atinge um estado estacionário dinâmico ao completar a montagem do objeto, que posteriormente poderia ser removido do fluido e manter sua integridade.
Para ilustrar ainda mais o potencial da maquinaria fluídica, os topos de cada painel foram decorados com longos bigodes. À medida que os painéis se dobram para cima e os bigodes se estendem no fluxo do fluido, as forças resultantes levam os bigodes a girar, como hélices em movimento. Ligações pegajosas podem ser adicionadas aos bigodes para atrair bactérias ou outros materiais que precisam ser removidos do sistema.
“O uso de reações químicas para adaptar o fluxo para atuar como uma ferramenta mecânica não foi amplamente aplicado em sistemas feitos pelo homem, mas é particularmente valioso, pois o fluxo do fluido realiza o trabalho necessário e substitui o maquinário complicado”, disse Balazs. “O processo é escalável; várias estruturas com formas diferentes podem ser formadas ao mesmo tempo.
“Ao fornecer essas diretrizes aos experimentalistas, podemos automatizar os processos de fabricação, uma vez que a formação da estrutura é impulsionada pela automontagem dinâmica dos componentes. As estruturas resultantes podem ser usadas para aplicações médicas, pois os processos normalmente envolvem água, o que fornece uma solução biologicamente amigável ambiente.
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