A seda natural, conhecida por sua resistência em teias de aranha e casulos de bicho-da-seda, foi transformada por pesquisadores em um supermaterial que supera a resistência do osso humano e se aproxima da rigidez do Kevlar. O avanço foi desenvolvido por cientistas da Universidade Tufts (EUA), Imperial College London (Reino Unido) e Universidade de Michigan (EUA).
O novo processo não utiliza produtos químicos complexos ou métodos que consomem muita energia. Em vez disso, os pesquisadores desenvolveram uma técnica que funde fibras de seda natural, preservando grande parte de sua força original por meio da aplicação controlada de calor e pressão.
Seda ultrapassa limitações dos métodos tradicionais
Por anos, engenheiros tentaram usar seda em medicina e eletrônica devido à sua biocompatibilidade natural. No entanto, os métodos convencionais de processamento dissolvem as fibras de seda em proteínas individuais para depois reconstruí-las, um processo que demanda grandes volumes de água, produtos químicos, energia e tempo, além de enfraquecer o material final.
“O processo quebra as fibras naturais em proteínas individuais de fibroína de seda antes de processá-las em novas formas, então, perdemos muito da força inerente das fibras originais”, explicou, ao Earth.com, Chunmei Li, professora assistente de pesquisa na Escola de Engenharia da Tufts.
“Com este novo método, não há necessidade de dissolver a seda – simplesmente alinhamos as fibras e aplicamos calor e pressão, e elas se fundem em uma etapa.”
Processo de fusão com calor e pressão
- O processo começa com fibras de seda comerciais extraídas de casulos de mariposas;
- Os pesquisadores primeiro removem a sericina, o revestimento externo pegajoso que ajuda os insetos a construir casulos;
- Em seguida, as fibras são alinhadas e comprimidas usando calor e pressão controlados;
- As fibras de seda contêm duas regiões proteicas distintas: uma região altamente ordenada e cristalina que confere resistência à seda, e outra mais flexível e móvel;
- “A seda é como um compósito”, explicou David Kaplan, Professor Titular da Família Stern de Engenharia na Tufts;
- “Há uma fase mais móvel e amorfa das proteínas da fibra, e há a parte da cadeia proteica que se dobra para formar superfícies semelhantes a folhas que se empilham em estruturas cristalinas. Juntas, elas dão às fibras de seda sua força, resistência e flexibilidade. Mas é a parte móvel que permite às fibras se fundirem sob calor e pressão”;
- Os pesquisadores identificaram uma janela ideal de processamento entre 125 °C e 215 °C e pressões entre 1,9 mil e 9,8 mil atmosferas. Configurações mais baixas produziam materiais menos densos, enquanto calor excessivo tornava a seda quebradiça.
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Seda tem resistência superior à madeira e osso
A seda fundida desenvolve uma estrutura interna em camadas que compartilha semelhanças com a madeira. Em ambos os materiais, feixes de fibras se alinham em uma direção e transferem tensão através da estrutura.
Essa organização confere ao material resistência impressionante. Os pesquisadores relataram que a seda fundida superou tanto madeira quanto osso em resistência à tração. Também resistiu a alguns dos plásticos e compósitos de engenharia mais fortes usados atualmente.
O desempenho de impacto balístico também se destacou. Compósitos de fibra de carbono são amplamente usados em aeronaves, carros de corrida e equipamentos esportivos por serem leves e fortes. O material de seda superou sua resistência ao impacto.
Aplicações em redes sem fio futuras
O material também demonstrou comportamento óptico incomum. Cientistas da Universidade de Michigan descobriram que a seda fundida pode polarizar radiação terahertz, que fica entre luz infravermelha e micro-ondas no espectro eletromagnético.
Ondas terahertz já aparecem em scanners de aeroportos e alguns sistemas de imagem médica. Pesquisadores também as exploram para futuros sistemas de comunicação sem fio. A equipe acredita que a seda fundida poderia eventualmente ter papel na tecnologia 6G, que pesquisadores esperam que mova dados muito mais rapidamente que as redes 5G atuais.
Compatibilidade médica e controle de degradação
Pesquisadores também testaram como a seda fundida se comporta quando implantada em animais. O material provocou apenas respostas imunes leves, que diminuíram com o tempo. Seu comportamento também pode ser ajustado dependendo da densidade de fusão das fibras.
Versões menos densas permitem que células se movam para dentro do material e lentamente o degradem. Versões mais densas permanecem estáveis por períodos mais longos. “Podemos controlar quão rápido o material se degrada dependendo das condições que usamos“, disse Li.
Sua flexibilidade pode tornar a seda fundida útil em medicina. Materiais temporários que lentamente desaparecem são valiosos em reparo de tecidos e medicina regenerativa. Versões mais duradouras poderiam suportar ossos ou articulações danificados.
“Por causa de sua resistência, poderia potencialmente ser usada para dispositivos de fixação, como placas, pinos e parafusos como suportes para fraturas ósseas”, observou Li.
O estudo completo foi publicado no periódico Nature Sustainability.
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