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Uma equipe de pesquisadores liderada pela Universidade da Califórnia em San Diego desenvolveu materiais macios, porém duráveis, que brilham em resposta ao estresse mecânico, como compressão, alongamento ou torção. Os materiais derivam sua luminescência de algas unicelulares conhecidas como dinoflagelados.
O trabalho, inspirado nas ondas bioluminescentes observadas durante as marés vermelhas nas praias de San Diego, foi publicado em 20 de outubro em Avanços da Ciência.
“Uma característica interessante desses materiais é sua simplicidade inerente – eles não precisam de eletrônicos, nem de fonte de energia externa”, disse o autor sênior do estudo, Shengqiang Cai, professor de engenharia mecânica e aeroespacial na Escola de Engenharia UC San Diego Jacobs. “Demonstramos como podemos aproveitar o poder da natureza para converter diretamente estímulos mecânicos em emissão de luz.”
Este estudo foi uma colaboração multidisciplinar envolvendo engenheiros e cientistas de materiais no laboratório de Cai, o biólogo marinho Michael Latz do Scripps Institution of Oceanography da UC San Diego e o professor de física Maziyar Jalaal da Universidade de Amsterdã.
Os ingredientes principais dos materiais bioluminescentes são dinoflagelados e um polímero à base de algas marinhas chamado alginato. Esses elementos foram misturados para formar uma solução, que foi então processada em uma impressora 3D para criar diversos formatos, como grades, espirais, teias de aranha, bolas, blocos e estruturas piramidais. As estruturas impressas em 3D foram então curadas como etapa final.
Quando os materiais são submetidos a compressão, estiramento ou torção, os dinoflagelados dentro deles respondem emitindo luz. Esta resposta imita o que acontece no oceano, quando os dinoflagelados produzem flashes de luz como parte de uma estratégia de defesa contra predadores. Nos testes, os materiais brilharam quando os pesquisadores os pressionaram e traçaram padrões em sua superfície. Os materiais eram sensíveis o suficiente para brilhar sob o peso de uma bola de espuma rolando em sua superfície.
Quanto maior a tensão aplicada, mais brilhante será o brilho. Os pesquisadores conseguiram quantificar esse comportamento e desenvolveram um modelo matemático que pode prever a intensidade do brilho com base na magnitude do estresse mecânico aplicado.
Os pesquisadores também demonstraram técnicas para tornar esses materiais resilientes em diversas condições experimentais. Para reforçar os materiais para que possam suportar cargas mecânicas substanciais, um segundo polímero, diacrilato de poli(etilenoglicol), foi adicionado à mistura original. Além disso, o revestimento dos materiais com um polímero elástico semelhante a borracha, denominado Ecoflex, proporcionou proteção em soluções ácidas e básicas. Com essa camada protetora, os materiais poderiam até ser armazenados na água do mar por até cinco meses sem perder a forma ou as propriedades bioluminescentes.
Outra característica benéfica destes materiais são os seus requisitos mínimos de manutenção. Para continuar funcionando, os dinoflagelados contidos nos materiais precisam de ciclos periódicos de luz e escuridão. Durante a fase clara, eles fotossintetizam para produzir alimentos e energia, que são então usados na fase escura para emitir luz quando o estresse mecânico é aplicado. Este comportamento reflete os processos naturais em jogo quando os dinoflagelados causam bioluminescência no oceano durante eventos de maré vermelha.
“Este trabalho atual demonstra um método simples para combinar organismos vivos com componentes não vivos para fabricar novos materiais que sejam autossustentáveis e sensíveis a estímulos mecânicos fundamentais encontrados na natureza”, disse o primeiro autor do estudo, Chenghai Li, engenheiro mecânico e aeroespacial. Ph.D. candidato no laboratório de Cai.
Os pesquisadores prevêem que esses materiais poderiam ser potencialmente usados como sensores mecânicos para medir pressão, deformação ou tensão. Outras aplicações potenciais incluem robótica suave e dispositivos biomédicos que usam sinais de luz para realizar tratamento ou liberação controlada de medicamentos.
No entanto, há muito trabalho a ser feito antes que essas aplicações possam ser concretizadas. Os pesquisadores estão trabalhando para melhorar e otimizar ainda mais os materiais.
Este trabalho foi apoiado pelo Escritório de Pesquisa do Exército dos EUA (concessão W911NF-20-2-0182).
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