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As asas de uma borboleta são feitas de quitina, um polímero orgânico que é o principal componente das carapaças de artrópodes como crustáceos e outros insetos. Assim como uma borboleta emerge de seu casulo no estágio final de metamorfose, ela abrirá lentamente suas asas em toda a sua grandeza. Durante o desdobramento, o material quitinoso fica desidratado enquanto o sangue bombeia pelas veias da borboleta, produzindo forças que reorganizam as moléculas do material para fornecer a resistência e rigidez únicas necessárias para o voo. Essa combinação natural de forças, movimento da água e organização molecular é a inspiração por trás da pesquisa do professor associado Javier G. Fernandez.
Juntamente com colegas pesquisadores da Universidade de Tecnologia e Design de Cingapura (SUTD), o Prof. Assoc Fernandez tem explorado o uso de polímeros quitinosos como um material sustentável para aplicações de engenharia. Em seu último estudo, ‘Reorientação secundária e forças higroscópicas em biopolímeros quitinosos e seu uso em atuação passiva e bioquímica’ publicado em Tecnologias Avançadas de Materiaisa equipe de pesquisa esclareceu a adaptabilidade e as mudanças moleculares dos materiais quitinosos em resposta às mudanças ambientais.
“Demonstramos que, mesmo após serem extraídos de fontes naturais, os polímeros quitinosos mantêm sua capacidade natural de vincular diferentes forças, organização molecular e conteúdo de água para gerar movimento mecânico e produzir eletricidade sem a necessidade de uma fonte de energia externa ou sistema de controle, ” disse o Prof. Assoc Fernandez, destacando as características únicas que tornam os polímeros quitinosos materiais inteligentes biocompatíveis e energeticamente eficientes.
A quitina é o segundo polímero orgânico mais abundante na natureza depois da celulose e faz parte de todos os ecossistemas. Ele pode ser obtido de forma rápida e sustentável de vários organismos, e a mesma equipe de pesquisa do SUTD demonstrou que pode ser obtido até mesmo de resíduos urbanos.
No estudo atual, os pesquisadores extraíram polímeros quitinosos de cascas de camarão descartadas para criar filmes com cerca de 130,5 micrômetros de espessura. Eles investigaram os efeitos de forças externas nesses filmes quitinosos, com foco nas mudanças na organização molecular, teor de água e propriedades mecânicas. Os pesquisadores observaram que, semelhante ao desdobramento das asas das borboletas, o alongamento dos filmes quitinosos reorganizou a estrutura cristalina – as moléculas ficaram mais compactadas e o teor de água diminuiu.
Originalmente com características semelhantes aos plásticos commodities, os filmes quitinosos foram transformados em um material semelhante aos plásticos para fins de engenharia especializada e de ponta. Ao contrário da natureza inerte dos polímeros sintéticos, os filmes quitinosos reorganizados podem relaxar e contrair autonomamente em resposta a mudanças ambientais, semelhante à forma como alguns insetos adaptam sua casca a diferentes situações. Essa capacidade permite que os filmes quitinosos levantem objetos pesando mais de 4,5 quilos verticalmente.
Para demonstrar a aplicabilidade de engenharia dos filmes biocompatíveis, a equipe de pesquisa os montou manualmente. Ao controlar a água intermolecular dos filmes por meio de mudanças ambientais e processos bioquímicos, a equipe criou força suficiente para que a mão exibisse um movimento de preensão. Impressionantemente, a força de preensão foi equivalente a 18 quilos – mais da metade da força de preensão média de um adulto. A capacidade de produzir tal força por meios bioquímicos também sugere a potencial integração perfeita de filmes quitinosos em sistemas biológicos e sua adequação para aplicações biomédicas, como músculos artificiais e implantes médicos.
Em outra demonstração, a equipe mostrou que a resposta do material às mudanças de umidade pode ser usada para extrair energia das mudanças ambientais e convertê-la em eletricidade. Ao anexar os filmes a um material piezoelétrico, o movimento mecânico dos filmes em resposta às mudanças de umidade foi convertido em correntes elétricas adequadas para alimentar pequenos eletrônicos.
O estudo de prova de conceito do Prof. Assoc Fernandez ilustra como as características mecânicas nativas e as funcionalidades incorporadas da quitina podem ser reproduzidas, enfatizando o uso potencial da quitina em aplicações biomédicas e de engenharia. Ele opina que materiais como a quitina desempenham um papel vital na transição para um paradigma mais sustentável, que ele chama de era dos biomateriais.
“A quitina é usada para muitas funções complexas na natureza, desde a fabricação das asas dos insetos até a formação das duras conchas protetoras dos moluscos, e tem aplicação direta na engenharia. Nossa capacidade de entender e usar a quitina em sua forma nativa é fundamental para permitir novas aplicações de engenharia e desenvolvê-los dentro de um paradigma de integração ecológica e baixo consumo de energia”, concluiu o Assoc Prof Fernandez.
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