Ciência e Engenharia de Materiais

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sábado, 29 de agosto de 2020

Impressão 3D de metais facilita a síntese química

29 agosto



Resumo: A impressão 3D vem revolucionando o setor industrial, pois permite projetar e obter um produto com muita precisão em suas dimensões e diferentes geometrias. Um grupo de pesquisadores trabalhou com a impressão 3D em metais para poder fabricar reatores químicos e estudar sua relação com os catalizadores.



A impressão 3D vem sendo estudada em muitos campos da ciência, como na biotecnologia, síntese farmacêutica, engenharia, etc. A ideia de usar este processo surgiu pela busca de novas rotas sintéticas para a conversão de recursos não petrolíferos em combustível líquido por diferentes processos, os quais têm sido estudados por muito tempo, e que eram inviáveis em aplicações industriais devido ao seu alto custo. Com isto em mente, o grupo de pesquisadores decidiu usar a impressão 3D de metais para fabricar os reatores autocatalíticos (SCR) e para a preparação de catalizadores, e assim, reduzir os elevados custos e tamanho dos reatores e melhorando a eficiência energética.


Foi utilizado diferentes técnicas de impressão 3D para fabricar o reator e o catalizador separadamente, para então superar os problemas de baixa velocidade de impressão e complexibilidade, podendo também ser aplicada em condições extremas, como em alta temperatura e pressão.


Foram fabricados reatores com diferentes seções transversais para converter moléculas de C1 (incluídos CO, CO2 y CH4) em produtos de alto valor agregado. Foi demostrado que a geometria da seção transversal impressa dos SCRs pode melhorar drasticamente a sinergia entre o catalizador e o reator para controlar a distribuição do produto catalítico. A superfície interna, volume do canal e a estrutura espacial são fatores que afetam o controle da síntese química.


Esta pesquisa oferece uma alternativa para favorecer a sinergia entre reatores e catalizadores, podendo impulsionar novos desenhos para o futuro dos sistemas catalíticos para tecnologias baseadas na impressão 3D.



Referência:

Quinhong Wei, Hangjie Li, Guoguo Liu, Yingluo He, Yang Wang, et al. Metal 3D printing technology for functional integration of catalytic system, Nature Communications, 14 de agosto, 2020; DOI: 10.1038/s41467-020-17941-8


Redação: Dennis Gonzales - UNILA
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Filtros de nanofios de Titanato que elimina patógenos

29 agosto



Resumo: Nas últimas duas décadas, vários surtos virais estão resultando em epidemias e pandemias. Para impedir a propagação do vírus, é fundamental ter equipamentos de proteção individual. Por isso, foi desenvolvido um filtro baseado em nanofios de TiO2 que tem a capacidade de eliminar patógenos.



Na tentativa de reduzir os impactos da pandemia de Covid-19, as máscaras de papel estão se tornando cada vez mais obrigatórias. Porém, seu uso generalizado tem uma série de desvantagens. Isso inclui o impacto ambiental de máscaras descartáveis feitas de camadas de plástico de polipropileno. Além disso, eles apenas prendem os patógenos em vez de destruí-los. “Em um ambiente hospitalar, essas máscaras são descartadas e manuseadas de maneira adequada”, afirma László Forró, chefe do Laboratório de Física de Matéria Complexa da EPFL. “No entanto, seu uso em um mundo mais amplo - onde são jogados em latas de lixo abertas e até mesmo deixados na rua - pode transformá-los em novas fontes de contaminação.”


Aqui, é relatado o desenvolvimento de um filtro baseado em nanofios de TiO2, que acredita-se que funcionará extremamente bem para equipamentos de proteção individual (PPE). Este filtro feito de nanofios de óxido de titânio é capaz de prender patógenos e destruí-los com a luz. Nesta pesquisa inclui experimentos que demonstram a capacidade da membrana de destruir E. coli, a bactéria de referência em pesquisa biomédica, e fitas de DNA em questão de segundos. Com base nesses resultados, os pesquisadores afirmam, embora isso ainda precise ser demonstrado experimentalmente, que o processo seria igualmente bem-sucedido em uma ampla gama de vírus, incluindo o SARS-CoV-2.


No artigo também afirma que a fabricação dessas máscaras seria viável em grande escala: o equipamento do laboratório sozinho é capaz de produzir o suficiente para até 80.000 máscaras por mês. Além disso, as máscaras poderiam ser esterilizadas e reutilizadas mil vezes. Isso aliviaria a escassez e reduziria substancialmente a quantidade de lixo criada por máscaras cirúrgicas descartáveis.


Uma start-up chamada Swoxid já está se preparando para tirar a tecnologia do laboratório. “As membranas também podem ser usadas em aplicações de tratamento de ar, como sistemas de ventilação e ar condicionado, bem como em equipamentos de proteção individual”, diz Endre Horváth, principal autor do artigo e co-fundador da Swoxid.




Referência:

Emmanuel Barraud. A titanate nanowire mask that can eliminate pathogens. EPFL News, 07 de agosto de 2020.


Redação: Nathielle Harka - UNILA
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sexta-feira, 28 de agosto de 2020

Um arranjo diferente permite maior armazenamento em chips

28 agosto



Resumo: A atual tendência na tecnologia é fabricar dispositivos cada vez mais pequenos para reduzir custos, e então com grande sucesso um grupo de pesquisadores encontrou uma forma de fabricar esses dispositivos com memórias embutidas.



As memórias embutidas tem um papel fundamental para o funcionamento dos dispositivos eletrônicos que utilizamos, uma vez que são desenhadas para realizar necessidades especificas e que realizam normalmente as tarefas de processamento em tempo real.


Estas memórias embutidas ocupam grande parte desses sistemas. Por isso pesquisadores buscam reduzir cada vez mais seu tamanho, com um custo mais barato e que sejam mais potentes. Diante disso, a equipe de pesquisadores da EPFL e a Universidade de Bar Ilan (BIU) em Israel desenharam uma memória que reduze a metade da quantidade de silício utilizada, sem prejudicar seu armazenamento e também a energia necessária. Este projeto é tão inovador que conseguiu sete patentes por seu trabalho e estão em processo de criação de uma startup, RAAAM.


O grupo de pesquisadores organizou de maneira diferente os transistores dentro das memórias embutidas, utilizando acesos diretos para reduzir espaço e energia, porque se sabe que dentro dos chips tem uma enorme quantidade de transistores. A memória que desenvolveram, chamada de GC-eDRAM, precisa somente de dois ou três transistores, um valor muito menor ao que possui o SRAM com suas seis ou oito transistores. Esta nova organização permite colocar dentro dos chips mais memórias ou fabrica-las em formato menor para dar espaço a outros componentes, reduzindo assim a energia necessária para processar uma determinada quantidade de dados.


Para Andreas Burg, professor do Laboratório de Circuitos de Telecomunicações e um dos fundadores de RAAAM, durante os últimos anos a tecnologia em componentes do chip somente avançou em sua redução de tamanho, porem está parada em outros aspectos.


Robert Giterman, pesquisador com pós-doutorado em EPFL e CEO de RAAAM indica que existem outros tipos de eDRAM no mercado, porém requerem outros passos no processo de fabricação que são complexos e custosos, os quais são incompatíveis com os passos de fabricação padrão dos chips. Apesar disso, GC-eDRAM pode ser compatível ao processo devido a suas características.


Os pesquisadores trabalharam com fabricantes de semicondutores de primeiro nível para provar seu novo tipo de memória, resultando na compatibilidade no processo de fabricação, o qual permitirá uma redução enorme no custo. Por isso RAAAM planeja vender sua tecnologia através de acordos de licença, sendo um dos três ganhadores dos prêmios Venture deste ano na área Industrial e de Engenharia.



Referência:

Cécilia Carron. New high-capacity embedded memories use half as much silicon, EPFL News, 31 de julho, 2020.


Redação: Dennis Gonzales - UNILA
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Equipe desenvolve plástico de carbono ecológico, resistente ao fogo e ideal para reciclagem

28 agosto


 Resumo: Uma equipe de pesquisadores desenvolveram um material compósito de fibra de carbono e resina epóxi, que tem como objetivo criar um material capaz de ser reciclado em mais de 99% e ser resistente ao fogo usando ácido tânico de origem vegetal.



O Instituto de Ciência e Tecnologia da Coréia (KIST) anunciou que uma equipe de pesquisa do Instituto de Materiais Compostos Avançados, liderada pelo Dr. Yong Chae Jung, utilizou ácido tânico de origem vegetal para desenvolver um plástico reforçado com fibra de carbono retardante de chama (CFRP), e também apresentou um método para sua reciclagem ecológica. Assim, foi desenvolvido um material compósito reforçado com fibra de carbono.


CFRP é um material compósito que contém fibra de carbono. Esse material é cerca de quatro vezes mais leve que o aço, porém 10 vezes mais forte e é amplamente utilizado nas indústrias aeroespaciais, automotiva, de construção naval e de equipamentos esportivos. Estruturalmente, o CFRP é composto de fibra de carbono e resina epóxi, que desempenham funções neste material compósito semelhantes aos que as barras de reforço e o cimento desempenham nas estruturas de concreto. Para obter rigidez mecânica, a ligação da fibra de carbono e da resina epóxi deve ser forte. Além disso, o CFRP deve ser à prova de fogo, pois é usado para fins relacionados à vida cotidiana, por exemplo, como material de construção. Para induzir essas características no CFRP, algumas vezes é sintetizado com aditivos.


Foi adicionado ao CFRP um retardador de chama de halogênio para efeito à prova de fogo. No entanto, o uso de halogênio na CFRP foi proibido em todo o mundo, pois gera substâncias tóxicas quando incineradas para reciclagem. Assim, a tarefa em questão era tornar o CFRP um retardador de chamas com o uso de um material seguro e não tóxico.


Jung Yong-Chae procurou melhorar a rigidez mecânica e o retardamento de chama do CFRP com ácido tânico. O ácido tânico se transforma em carvão quando queimado, e quando carbonizado funciona como uma barreira que bloqueia a entrada de oxigênio externo. Ao fabricar a resina epóxi a partir de ácido tânico e misturá-la com a fibra de carbono, a equipe de pesquisa do KIST desenvolveu com sucesso um CFRP.


Ao contrário da resina epóxi convencional que é vulnerável ao calor, a resina epóxi feita com ácido tânico é retardadora de chama e não precisa de aditivos. Isso significa que as substâncias tóxicas geradas ao incinerar o CFRP para reciclagem não seriam mais um problema.


Ao dissolver o CFRP na água em um estado de fluido supercrítico, isto é, temperatura e pressão em um nível definido, mais de 99% do CFRP pode ser recuperado sem desempenho reduzido da fibra de carbono. Ao contrário do método de reciclagem por incineração, que queima a resina epóxi, deixando apenas a fibra de carbono incompleta para ser reciclada, esse novo método de reciclagem permite a reciclagem de todos os componentes de um material compósito.


O pesquisador chefe Dr. Jung disse: "Criamos um material compósito com amplas aplicações, que é uma melhoria em relação ao plástico reforçado com fibra de carbono convencional em termos de retardamento de chama, rigidez mecânica e reciclabilidade. Essas características aprimoradas são significativas na medida em que determinam a faixa de aplicação do material compósito ". Ele acrescentou: "Iremos revisar a estrutura deste material para obter ainda mais propriedades aprimoradas e expandir ainda mais o alcance de sua aplicação".



Referência:

Young-O Kim et al, Recyclable, flame-retardant and smoke-suppressing tannic acid-based carbon-fiber-reinforced plastic, Composites Part B: Engineering (2020). DOI: 10.1016/j.compositesb.2020.108173


Redação: Nathielle Harka - UNILA
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Pesquisa de um novo e melhor material para absorção de CO2

28 agosto



Resumo: O aquecimento global está aumentando por causa da emissão de gases de diversas atividades humanas. Por isso, pesquisadores buscam por materiais capazes de capturar o dióxido de carbono destas emissões com a ajuda de métodos computacionais.



O efeito estufa é um fenômeno atmosférico que regula a temperatura do planeta pois retêm parte da energia solar. Porém devido as atividades humanas, existe muita produção de gases com dióxido de carbono (CO2) que se movem para a atmosfera, perturbando o equilíbrio, resultando no aquecimento global.


Atualmente existem muitas pesquisas sobre como reduzir ou então capturar os gases emitidos. Eles são chamados de “gases de combustão”, que se refere aos gases que saem de tubulações, chaminé, etc., como produto da combustão em um forno, caldeira ou gerador de vapor. Porém, são geralmente associados aos vapores que saem das fábricas.


Uma forma de reduzir o impacto contaminante dos gases de combustão é tirar o CO2 e fazer um armazenamento geológico ou então reciclar. Tendo isto em mente, uma equipe de pesquisadores dirigido por Berend Smit da Escola Politécnica Federal de Lausana (EPFL) desenharam um material que pode capturar o dióxido de carbono dos gases de combustão úmidos melhor que os atuais materiais comerciais.


Os materiais capazes de capturar CO2 são muito melhores na captura de agua, por isso não são muito úteis com gases de combustão úmidos. Dentro do material, o CO2 e a agua competem para ocupar os mesmos sítios de adsorção, mas realmente a estrutura do material é a que captura a molécula de água.


Prevendo este problema, os pesquisadores desenharam um novo material no qual não é afetado pelas moléculas de agua e pode ser capturado com maior eficiência o CO2 dos gases de combustão úmidos.


Para diminuir a dificuldade de desenhar novos materiais, foi utilizado métodos computacionais. Atualmente, criar um fármaco é muito complexo e caro, e por isso nos últimos anos está sendo utilizado métodos computacionais para se fazer milhões de ensaios com moléculas para pesquisar quais se unirão a certa proteína relacionada com a doença em questão.


Os pesquisadores da EPFL, tendo o mesmo ponto de vista, criaram 325.000 materiais pelo computador com o objetivo de relaciona-lo com o CO2. Todos os materiais pertencem a família da Estrutura Organometálica (MOF). Para reduzir este número, buscaram estruturas entre os MOFs que se unem muito bem com o CO2 e não com água. Assim, a busca se reduziu a 35 materiais depois de adicionar os parâmetros específicos de eficiência.


Este trabalho foi realizado com colaborações das Unversidades da California Berkeley, Universidade de Ottawa, Universidade Heriot-Watt e também da Universidade de Granada.


"Os experimentos realizados em Berkeley mostraram que as nossas previsões estavam corretas", disse Smit. "O grupo em Heriot-Watt demostrou que nossos materiais desenhados podem capturar dióxido de carbono dos gases de combustão úmidos melhor que os materiais comerciais.



Referência:

Nik Papageorgiou. New material design tops carbon-capture from wet flue gases, EPFL News, 11 de dezembro, 2019; DOI: 10.1038/s41586-019-1798-7


Redação: Dennis Gonzales - UNILA
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quinta-feira, 27 de agosto de 2020

Nova tecnologia em transistores, uma economia enorme de energia

27 agosto

 

Resumo: Hoje em dia as pessoas utilizam continuamente certos dispositivos eletrônicos, como computadores portáteis, telefones e relógios inteligentes. Para seu uso contínuo, é necessário o abastecer com grandes quantidades de energia, e grande parte dela é perdida.



Os transistores são utilizados na maioria dos circuitos eletrônicos, ou seja, é o componente principal dos dispositivos eletrônicos modernos. A procura por um transistor com maior eficiência energética levou o professor Adrian Ionescu e sua equipe ao Laboratório de Dispositivos Nanoeletrônicos de EPFL (Nanolab) e realizar uma série de projetos com o objetivo de criar uma tecnologia eletrônica para dispositivos portáteis que seja similar em eficiência aos neurônios humanos, já que estas consumem 20 watts de energia (três vezes menos que o foco médio das casas) e podem realizar tarefas de maior complexidade que um computador, como ser capaz de analisar uma informação proporcionada por nossos sentidos e gerar processos inteligentes de tomada de decisões.


Esta equipe desenvolveu um transistor de tamanho nanométrico com materiais semicondutores compreendido por capas 2D de diseleniuro de tungstênio (WSe2) e diseleniuro de estanho (SnSe2), conhecido como um transistor de túnel 2D/2D, o qual cumpre o mesmo papel que os transistores convencionais, porém usa muito menos energia. Ao testar este novo transistor, viram que isto estabeleceria um novo padrão para a eficiência energética no processo de comutação digital, pois apresentou um rendimento maior e menor necessidade de fornecimento de voltagem que um transistor padrão.


Esta nova tecnologia opera a 300mV (milivolts), um valor muito próximo ao que necessitam os neurônios, 100mv. Assim, convertendo em 10 vezes mais em eficiência que um transistor padrão. Nenhum outro componente eletrônico que existe hoje se aproxima a este nível de eficiência.


Projetos aplicados a tecnologias portáteis e chips para IA de última geração ainda são objetos de laboratório e é preciso muita pesquisa para poder fabricar um produto em escala industrial.


Referência:

V. Geneux. Transistor sets a new standard for energy efficiency, EPFL News, 12 de maio, 2020; DOI: 10.1038/s41699-020-0142-2


Redação: Dennis Gonzales - UNILA
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Engenheiros criam uma nova maneira de armazenar dados

27 agosto



Resumo: Os pesquisadores inventaram uma maneira de deslizar camadas atomicamente finas de materiais 2D uma sobre a outra para armazenar mais dados, em menos espaço e usando menos energia.



Um grupo de pesquisa de Stanford criou uma maneira de armazenar dados deslizando camadas atômicas finas de metal uma sobre a outra. Com isso, é possível salvar mais dados em menos espaço do que chips de Silício, além de usar menos energia. A pesquisa liderada por Aaron Lindenberg, professor de ciência e engenharia de materiais em Stanford, seria uma inovação em armazenamento de memória não volátil que os computadores de hoje realizam com tecnologias baseadas em silício.


A inovação é baseada em uma classe de metais recém-descoberta que forma camadas incrivelmente finas, neste caso com apenas três átomos de espessura. Os pesquisadores empilharam essas camadas feitas de um metal conhecido como ditellurida de tungstênio. "A organização das camadas se torna um método para codificar informações", diz Lindenberg, criando algo que armazene dados binários.


Para ler os dados armazenados entre essas camadas variáveis de átomos, os pesquisadores exploram uma propriedade quântica conhecida como curvatura de Berry, que age como um campo magnético para manipular os elétrons no material e ler o arranjo das camadas sem perturbar a pilha.


Jun Xiao, pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Lindenberg e primeiro autor do artigo, disse que é preciso pouca energia para mudar as camadas de um lado para o outro. Isso significa que deve usar menos energia para "gravar" um zero ou um no novo dispositivo do que o necessário para as tecnologias de memória não volátil de hoje. Além disso, com base em pesquisas do mesmo grupo publicado na revista Nature, o deslizamento das camadas atômicas pode ocorrer tão rapidamente que o armazenamento de dados pode ser realizado mais de cem vezes mais rápido do que com as tecnologias atuais.


O design do dispositivo protótipo foi baseado em parte em cálculos teóricos. Depois que foi observado resultados experimentais consistentes com as previsões teóricas, foram feitos cálculos adicionais que os levaram a acreditar que refinamentos adicionais em seu design melhorariam muito a capacidade de armazenamento, abrindo caminho para uma nova e distante classe mais poderosa de memória não volátil usando materiais 2D ultrafinos.


A equipe patenteou sua tecnologia enquanto aprimora ainda mais seu protótipo e design de memória. Eles também planejam procurar outros materiais 2D que possam funcionar ainda melhor como meio de armazenamento de dados do que o ditellurida de tungstênio.


Segundo Lindenberg, a conclusão científica “é que pequenos ajustes nessas camadas ultrafinas exercem uma grande influência em suas propriedades. Podemos usar esse conhecimento para projetar dispositivos novos e com eficiência de energia em direção a um futuro sustentável e inteligente.”


Referência:

Andrew Myers. Engineers invent a way to store data without using silicon chipsStanford Engineering – Materials Science and Engineering, 30 de junho de 2020.


Redação: Nathielle Harka - UNILA
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Fosfatos de cálcio formados em templates de celulose bacteriana

27 agosto


Resumo: Membrana de celulose bacteriana foi utilizada como template para deposição de fosfato de cálcio via imersão em soluções de nitrato de cálcio e fostato de amônio. O material produzido passou por avaliações composicionais e morfológicas.

Texto en español

A engenharia de tecidos busca obter novas alternativas para problemas médicos recorrentes, melhorar o desempenho de soluções já conhecidas e acelerar o processo de cura visando melhorar a qualidade de vida dos pacientes. No campo da recuperação de tecidos osseos são utilizados principalmente estruturas cerâmicas na forma de scaffolds, revestimentos ou preenchimentos. Scaffolds são estruturas porosas que sustentam seu próprio peso e podem ser compostas de um sistema unitário ou compósito, onde a fase cerâmica está associada a uma fase polimérica ou mineral.


Fosfatos de cálcio têm uma composição que é muito semelhante ao osso natural e, por isso, são muito utilizados em aplicações de regeneração óssea devido a sua alta bioatividade e biocompatibilidade. Dentro dessa família, hidroxiapatita e fosfato tricálcio são os mais utilizados e os scaffolds produzidos podem ser somente cerâmicos ou compósitos com a presença de polímeros. Outro material muito estudado é a celulose bacteriana, um polímero natural produzido por microrganismos que possui boas propriedades mecânicas, estruturais e biológicas. Devido a isso, a celulose bacteriana tem sido integrada em diversos compósitos para atuar como template para a síntese de materiais inorgânicos.


Para a produção do material, membranas de celulose bacteriana foram imersas e agitadas com auxílio de um dispositivo de ultrassom em um Becker com uma solução de nitrato de cálcio e depois em solução de fosfato de amônio. O processo foi realizado novamente e algumas amostras para verificar a influência do número de imersões no produto final.  O material compósito obtido foi submetido à liofilização para consolidar a estrutura porosa e passou posteriormente por um tratamento térmico visando à remoção da fase polimérica e a formação de estruturas bem cristalizadas. Houve variação na temperatura, taxa de aquecimento e duração dos tratamentos térmicos para avaliar o comportamento do material. A composição e morfologia das amostras foram analisadas antes e após serem submetidas ao tratamento térmico e suas propriedades magnéticas também foram avaliadas para verificar a possibilidade de utilizar o material obtido para o desenvolvimento de scaffolds magnéticos.


As amostras foram submetidas à análise térmica onde foi constatado que ocorre uma deposição cerca de 38% maior nos corpos de provas que passaram por dois ciclos de imersão. A avaliação por difração de raios x e FTIR, realizados a amostras antes de serem submetidas ao tratamento térmico, demonstraram que fosfatos de cálcio realmente se depositaram na celulose bacteriana e imagens do MEV reforçaram essa constatação. Após o tratamento térmico, a difração de raios x indicou a formação de pirofosfato de cálcio com estrutura tetragonal em tratamentos térmicos abaixo de 1000°C e ortorrômbica para tratamento realizado a 1200°C. Imagens do MEV revelaram que a taxa de aquecimento e a duração do tratamento térmico alteram a porosidade e a dimensão dos grãos, influenciando as propriedades mecânicas do scaffold. A análise magnética revelou que o material produzido contém resposta magnética intrínseca e ajustável de acordo com o tratamento térmico.


Esse estudo demonstrou a possibilidade de produzir compósitos híbridos carregando quantidades controladas de fosfatos de cálcio em um template de celulose bacteriana. Essa técnica de sintetização gerou um biomaterial cujas propriedades podem ser modificadas alterando parâmetros de produção e que possui características interessantes para aplicação em áreas ortopédicas e ortodônticas.

Referência:

BUSUIOC, C.; GHITULICA, C. D.; STOICA, A.; et al. Calcium phosphates grown on bacterial cellulose template. Ceramics International, v. 44, n. 8, p. 9433–9441, 2018. Elsevier Ltd.


Redação: Gustavo Peres - UTFPR
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Nanofibras que protegem contra explosivos

27 agosto

Resumo: Um grande problema enfrentado por soldados é a falta de proteção com uma maior eficiência. Assim, um grupo de pesquisadores desenvolveram um material que pudesse proteger alguém que trabalha em um ambiente extremo, explorando a relação entre proteção mecânica e isolamento térmico.




Desde a Primeira Guerra Mundial, a maioria dos ferimentos não eram por balas e sim por explosões. Hoje, a maioria dos soldados usam colete à prova de balas, porem uma grande parte do corpo ainda permanece exposta a possíveis fragmentos e estilhaços explosivos.

Tem sido muito difícil projetar algo que projeta contra temperaturas extremas, e que ainda projeta contra projéteis que possam causar explosões, isso acontece por causa de uma propriedade fundamental dos materiais. Assim, grande parte dos coletes são compostos por várias camadas de materiais diferentes, levando a coletes pesados e volumosos, que se usados nos braços e pernas, limitariam severamente a mobilidade de um soldado.


Pesquisadores de Universidade de Harvard em colaboração com o Centro de Soldados do Comando de Desenvolvimento de Capacidades de Combate do Exército dos Estados Unidos da América (CCDC SC) e West Point, desenvolveram um material leve e multifuncional de nanofibras que pode proteger os soldados de temperaturas extremas e ameaças balísticas.


“Quando eu estava em combate no Afeganistão, vi como um colete poderia salvar vidas”, disse Kit Parker, professor de Bioengenharia e Física aplicada na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas John A. Paulson de Harvard (SEAS). “Também vi o quanto coletes pesados poderiam limitar a mobilidade. Como soldados no campo de batalha, as três tarefas principais são mover, atirar e se comunicar. Se você limitar uma delas, diminui a capacidade de sobrevivência e coloca em risco o sucesso da missão."


"Nosso objetivo era projetar um material multifuncional que pudesse proteger alguém que trabalha em um ambiente extremo, como astronauta, bombeiro ou soldado, das diversas ameaças que enfrentam", disse Grant M. Gonzalez, que tem pós-doutorado no SEAS e foi o primeiro autor do artigo. Para atingir esse objetivo, os pesquisadores precisaram explorar a relação entre proteção mecânica e isolamento térmico, que são propriedades da estrutura e da orientação molecular de um material.


Materiais com forte proteção mecânica, como metais e cerâmicas, possuem uma estrutura molecular altamente ordenada e alinhada. Essa estrutura permite suportar e distribuir a energia de um golpe direto. Os materiais isolantes, por outro lado, têm uma estrutura menos ordenada, o que impede a transmissão de calor através do material.


Kevlar e Twaron são produtos comercialmente usados em equipamentos de proteção e podem fornecer proteção balística ou térmica, dependendo de como são fabricados. O tecido de Kevlar, por exemplo, possui uma estrutura cristalina altamente alinhada e é usado em coletes à prova de balas. Os aerogéis de Kevlar porosos, por outro lado, demonstraram ter alto isolamento térmico.

"Nossa idéia era usar o Kevlar para combinar a estrutura ordenada de fibras de tecidos com a porosidade dos aerogéis para criar fibras longas e contínuas com espaçamento poroso no meio", disse Gonzalez. "Nesse sistema, as fibras longas podem resistir a um impacto mecânico, enquanto os poros limitam a difusão de calor".


A equipe de pesquisa utilizou a técnica immersion Rotary Jet-Spinning (iRJS) para fabricar as fibras. Nesta técnica, uma solução de polímero líquido é carregada em um reservatório e empurrada por uma pequena abertura. Quando a solução de polímero dispara para fora do reservatório, ela primeiro passa por uma área ao ar livre, onde os polímeros se alongam e as cadeias poliméricas se alinham. Em seguida, a solução passa por um banho líquido que remove o solvente e precipita os polímeros para formar fibras sólidas. Ajustando a viscosidade da solução do polímero, os pesquisadores conseguiram transformar as nanofibras longas e alinhadas em folhas porosas, fornecendo ordem suficiente para proteger contra projéteis, mas desordem suficiente para proteger contra o calor.


Para testar as folhas, a equipe de Harvard procurou seus colaboradores para realizar testes balísticos. Foi simulado o impacto dos estilhaços disparando grandes projéteis na amostra. A equipe realizou testes prensando as folhas de nanofibras entre folhas de tecido de Twaron. Eles observaram pouca diferença na proteção entre uma pilha de folhas de tecido de Twaron e uma pilha combinada de tecido de Twaron e nanofibras.


"As colaborações acadêmicas, especialmente as de universidades como Harvard, oferecem ao CCDC SC a oportunidade de aproveitar a experiência e as instalações de ponta para aumentar nossas próprias capacidades de pesquisa e desenvolvimento", disse Kathleen Swana, pesquisadora do CCDC SC e uma das autoras do artigo.


Em testes de proteção térmica, os pesquisadores descobriram que as nanofibras forneciam 20 vezes a capacidade de isolamento térmico dos Twaron e Kevlar comerciais.


"Mostramos que é possível desenvolver têxteis altamente protetores para pessoas que trabalham nas forças armadas", disse Parker. "Nosso desafio agora é evoluir os avanços científicos em produtos inovadores para meus irmãos e irmãs das forças armadas".


O Departamento de Desenvolvimento Tecnológico de Harvard entrou com um pedido de patente para a tecnologia e está buscando ativamente oportunidades de comercialização.


A pesquisa está publicada na revista Matter.



Referência:
Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences. Multifunctional nanofiber protects against explosions. Phys.org, 29 de junho, 2020: DOI: 10.1016/j.matt.2020.06.001 

Redação: Nathielle Harka
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Estruturas de celulose utilizadas como carreadores em tratamentos de câncer

27 agosto

Resumo:  Encontradas em plantas, ou produzidas por bactérias, a celulose é o polímero mais abundante no mundo. Possuindo propriedades significativas e promissoras na área biomédica, a celulose demonstrou ser capaz de apresentar eficiência em tratamentos contra diferentes tipos de tratamento de câncer.


Texto en español

Segundo a Organização Mundial de Saúde, o câncer foi responsável por 9,6 milhões de mortes em 2018, tornando-se a segunda principal causa de óbitos no mundo. Normalmente, a retirada do tumor por meio de cirurgia é o tratamento mais utilizado para esta doença devido a sua alta eficácia. Porém, o tamanho, o local e o estágio do tumor, além das condições do paciente, limitam a aplicação deste método. Sendo assim, são utilizados tratamentos alternativos e menos invasivos como: radioterapia, terapia fototérmica e quimioterapia.


A terapia fototérmica e a quimioterapia possuem limitantes no que se diz respeito ao transporte do medicamento até o tumor. O transporte inadequado do fármaco pode acarretar na liberação repentina e desacelerada do mesmo, reduzindo a sua eficácia e causando reações adversas no paciente. Tendo em vista isso, estudos apontam a utilização da celulose como nanocarreadores promissores garantindo uma maior segurança ao paciente.


A celulose ( é o polímero de maior abundância na Terra, podendo ser de origem animal, vegetal ou bacteriana. Consiste em um polissacarídeo, formado por ligações do tipo e unidades de . A sua estabilidade ocorre por meio de ligações de hidrogênio intra e inter-cadeias, nas quais em grande quantidade resultam em ótimas propriedades mecânicas. Além disso, a celulose exibe características importantes como: biodegradabilidade, biocompatibilidade, flexibilidade, transparência, polaridade, termoestabilidade e, por fim, capacidade de formar géis.


Na terapia fototérmica, o material é injetado no paciente, se acumulando nas células cancerígenas onde, após uma incidência de luz, o mesmo é aquecido, atacando e eliminando o tumor. Recentemente, o fósforo preto, alótropo do fósforo, foi apresentado como um ótimo agente fototérmico, além de ser biocompatível e biodegradável. 


Em contrapartida, este material sofre oxidação rapidamente dentro do corpo humano, resultando em uma rápida degradação e um efeito fototérmico heterogêneo. Para isto, é necessário utilização de um nanocarreador que possua além de resistência mecânica elevada, biocompatibilidade e biodegradabilidade, também não altere a condutividade, a fotoluminescência e as propriedades magnéticas e catalíticas presentes no fósforo preto. 


Os hidrogéis de celulose se mostraram capazes de preencher todos os requisitos necessários. Para exemplificar esta aplicação, podemos citar um estudo realizado na China onde foram fabricados hidrogéis de celulose via rompimento de ligações de hidrogênio da celulose por hidratos. Desta forma, hidrogéis a base de celulose e nanofolhas de fósforo preto (BPNs) foram feitos através da gelificação de cadeias de celulose com o auxílio de um reticulador de epicloridrina na presença de BPNs em água.


Este sistema, BPNs-celulose, apresentou uma estrutura com poros irregulares, garantindo espaço suficiente para a absorção e preservação de uma grande quantidade de água. Além disso, notou-se que as BPNs ficaram totalmente imersas na estrutura do hidrogel de celulose, o que impediu a oxidação das mesmas. Em relação a toxicidade do sistema, os resultados dos ensaios in vitro e in vivo indicaram não haver nenhuma toxicidade, demonstrando a total biocompatibilidade do sistema.


Por fim, ensaios utilizando radiação próxima ao infravermelho confirmaram a eficácia de até cerca de 100% para as células testadas para uso deste material para terapias fototérmicas.


Os resultados apresentados mostram o potencial de utilização de um material abundante na natureza, celulose, para tratamento de doenças que atingem grande parte da população mundial.


Referência:
Ferlay J, Soerjomataram I, Ervik M, Dikshit R, Eser S, Mathers C et al. GLOBOCAN 2012 v1.0, Cancer Incidence and Mortality Worldwide: IARC CancerBase No. 11. Lyon, France: International Agency for Research on Cancer; 2013.

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Redação: Beatriz Batalha, Vitor Iscuissati e Liliane Battirola
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