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A água não é apenas um solvente universal que permanece inalterado por suas interações. Novas publicações da North Carolina State University mostram que a água pode mudar suas características de solubilidade dependendo do que ela interage. Especificamente, quando a água interage com a celulose, ela pode se acumular em camadas para controlar as reações químicas e as propriedades físicas do material. O trabalho tem implicações para um design mais sustentável e eficiente de produtos à base de celulose.
“A celulose é o biopolímero mais abundante do mundo e é usada em aplicações que variam de curativos a eletrônicos”, diz Lucian Lucia, professor de biomateriais florestais e química na NC State e autor correspondente de um novo estudo na Matter. “Mas o processamento da celulose tem sido feito principalmente por tentativa e erro, e alguns deles utilizam produtos químicos incrivelmente agressivos. Para encontrar melhores maneiras de processar a celulose, precisamos entender suas interações mais fundamentais – por exemplo, com a água”.
Para isso, ele trabalhou com o colega Jim Martin, professor de química na NC State, que estuda as propriedades fundamentais da água como solvente.
“A água tem a incrível capacidade de mudar as características dependendo do que está usando, o que lhe confere uma ampla gama de características de solubilidade”, diz Martin. Martin é o autor de um artigo de opinião na Matter que acompanha o estudo de Lucia.
“Mudamos a natureza da água pelo que dissolvemos nela e pelas concentrações desses solutos na água”, diz Martin. “Pense no continuum entre Kool-Aid e balas duras. Você começa com açúcar. No Kool-Aid, o açúcar é completamente dissolvido. Ao remover a água, você obtém caramelo, depois balas duras e depois volta ao açúcar cristalino.”
“Sabemos que a água é fundamental para a forma como a celulose é depositada”, diz Lucia. “Portanto, neste estudo, investigamos como ele se orienta e desempenha um papel reativo na mitigação ou alavancagem da química”.
Os pesquisadores manipularam fisicamente diferentes tipos de fibras de madeira e observaram como a água se liga a si mesma e a outras moléculas dentro das estruturas resultantes. Eles viram que em teores de água mais baixos, a distribuição de água e as interações moleculares resultantes entre a água e as fibras criam estruturas de ligação dentro do material que fazem com que ele perca flexibilidade.
Na verdade, eles viram que a água pode “se esconder” dentro da rede de celulose, formando fortes pontes de hidrogênio. Esta ligação, por sua vez, determina o aperto ou frouxidão das estruturas de ligação.
“A água forma conchas ao redor das fibras que podem se empilhar, como uma boneca russa aninhada”, diz Martin. “Quanto menos cascas, ou camadas, mais duras são as fibras. Mas quando você adiciona mais camadas, a conexão entre as fibras se afasta e o material fica mais macio.”
Os pesquisadores esperam explorar a variedade de ligações que a água forma dentro dessas estruturas em trabalhos futuros.
“Estudar essas interações no nível molecular abre caminho para a manipulação da água na celulose para projetar melhores produtos e processos”, diz Lucian. “Entender o que está acontecendo a partir de princípios fundamentais nos permite projetar abordagens que tiram proveito das propriedades da água para tudo, desde a administração de medicamentos até o design de produtos eletrônicos”.
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