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De escamas de pangolim que resistem a golpes fortes a penas de pavão coloridas, mas resistentes, a natureza pode fazer muito com algumas moléculas simples.
Em um novo artigo de revisão, uma equipe de pesquisadores internacionais expôs como os engenheiros estão se inspirando no mundo biológico – e projetando novos tipos de materiais que são potencialmente mais resistentes, versáteis e sustentáveis do que os humanos podem fazer por conta própria.
“Ainda hoje, a natureza torna as coisas muito mais simples e inteligentes do que podemos fazer sinteticamente no laboratório”, disse Dhriti Nepal, primeiro autor e engenheiro de materiais de pesquisa do Laboratório de Pesquisa da Força Aérea em Ohio.
O Nepal, juntamente com Vladimir Tsukruk, do Georgia Institute of Technology, e Hendrik Heinz, da University of Colorado Boulder, serviram como co-autores correspondentes para a nova análise. A equipe publicou suas descobertas em 28 de novembro na revista Materiais da Natureza.
Os pesquisadores, que vêm de três países, investigam a promessa e os desafios por trás dos “nanocompósitos bioinspirados”. Esses materiais misturam diferentes tipos de proteínas e outras moléculas em escalas incrivelmente pequenas para obter propriedades que podem não ser possíveis com metais ou plásticos tradicionais. Os pesquisadores geralmente os projetam usando simulações ou modelos avançados de computador. Os exemplos incluem filmes finos que resistem ao desgaste pela incorporação de proteínas de casulos de bicho-da-seda; novos tipos de laminados feitos de polímeros e materiais argilosos; fibras de carbono produzidas a partir de princípios bioinspirados; e painéis de vidro que não quebram facilmente porque incluem nácar – o revestimento iridescente dentro de muitas conchas de moluscos.
Esses materiais inspirados na natureza podem, um dia, levar a novos e melhores painéis solares, robôs macios e até revestimentos para jatos hipersônicos, disse Heinz, professor de engenharia química e biológica da CU Boulder. Mas primeiro, os pesquisadores precisarão aprender como construí-los de baixo para cima, garantindo que cada molécula esteja no lugar certo.
“Um dos principais desafios nesse campo é como estruturar esses materiais até o nível atômico”, disse Heinz. “Precisamos saber como a natureza faz isso para que possamos experimentá-lo no laboratório e usar a orientação de modelos computacionais”.
A incrível queratina
No novo estudo, Nepal, Tsukruk, Heinz e seus colegas examinam de perto a queratina, um dos blocos de construção mais adaptáveis da natureza.
Essas proteínas simples, que muitas vezes se transformam em formas helicoidais retorcidas como o DNA, podem se unir de diferentes maneiras para formar uma enorme variedade de estruturas – de unhas e cabelos humanos a espinhos de porco-espinho, chifres de rinoceronte e escamas sobrepostas de pangolins.
“A queratina está em toda parte e mal começamos a apreciar sua utilidade”, disse Nepal.
Esse é um dos segredos da natureza, ela acrescentou: os materiais biológicos podem exibir uma ampla gama de arquiteturas complexas em muitos níveis – o que os engenheiros chamam de engenharia “hierárquica”. Algumas dessas estruturas são grandes o suficiente para serem vistas a olho nu, enquanto outras são tão pequenas que os pesquisadores precisam de microscópios poderosos para estudá-las.
A queratina nas escamas do pangolim, por exemplo, assume um padrão ondulado que torna as escamas difíceis de quebrar. As penas do pavão, por sua vez, são feitas de hastes de melanina embutidas em uma matriz de queratina, o que permite que esses adornos sejam coloridos e rígidos ao mesmo tempo – perfeito para pavões que desejam espalhar as penas da cauda.
“Uma das maiores coisas que podemos aprender com a natureza é como esses materiais exibem múltiplas funções que funcionam juntas em perfeita sinergia”, disse Nepal.
De átomos para cima
Fazer materiais sintéticos avançados com múltiplas funções no laboratório, no entanto, pode ser complicado.
“A maioria dos materiais atuais feitos pelo homem são materiais simples e de componente único com morfologia e composição simplistas e uniformes”, disse Tsukruk. “E o que aprendemos com a natureza é que uma organização muito mais complexa e sustentável é necessária para produzir novos materiais bioinspirados para aplicações avançadas em um futuro próximo”.
Um dos maiores desafios, disse Heinz, se resume aos modelos. Seu grupo de pesquisa usa essas ferramentas para simular novos tipos de materiais na escala de algumas centenas a milhões de átomos. Mas pegar esses tipos de designs minúsculos e ampliá-los para o tamanho de algo que você pode realmente ver se torna uma tarefa cada vez mais difícil.
“Desde a escala dos átomos até a escala do milímetro ou mesmo do centímetro, existem muitos níveis de organização em materiais naturais”, disse Heinz.
Heinz observou que a NASA investiu recentemente na exploração de materiais de engenharia hierárquica para aplicações aeroespaciais – como painéis mais fortes e leves de carbono nanoestruturado para uso em naves espaciais para transportar suprimentos de vida para Marte. A Heinz, por exemplo, faz parte de um esforço de US$ 15 milhões financiado pela NASA para estudar esses tipos de “compósitos ultrafortes”.
Os engenheiros, acrescentou, também estão descobrindo novas maneiras de produzir nanocompósitos em grandes quantidades em um ambiente de fabricação. Hoje, os pesquisadores costumam usar ferramentas como impressoras 3D para fabricar esses materiais, colocando-os gota a gota.
Heinz, Tsukruk, Nepal e seus colegas estão otimistas. A natureza, eles relatam, teve milhões de anos para aprender a construir materiais como escamas de pangolim ou nácar de ostra da maneira mais eficiente possível. Os engenheiros podem obter pistas de pangolins e ostras para construir materiais sem criar muitos resíduos nocivos no processo.
“Se aprendermos com a natureza, podemos encontrar alternativas para muitos processos atuais de fabricação intensiva em energia ou produtos químicos perigosos”, disse Heinz.
Krishan Kanhaiya, um recém-formado em engenharia química e biológica na CU Boulder, também atuou como co-autor do novo estudo. Outros co-autores incluem pesquisadores do Georgia Institute of Technology; Universidade Carnegie Mellon; Universidade Duke; MIT; University College London; Universidade Johns Hopkins; Universidade Deakin; Universidade Tufts; Universidade de Michigan; Universidade de Cambridge; Universidade de Oxford; Universidade da Califórnia em San Diego; e Universidade de Rice.
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