Novo gel muda de cor a pedido

Massachusetts Institute of  Technology

Pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT, em inglês) criaram um novo gel estruturado que pode rapidamente mudar de cor em resposta a uma variedade de estímulos, como temperatura, pressão, concentração de sal e umidade.

"Entre outras aplicações, o gel estruturado poderia ser usado como um sensor químico rápido e barato", disse Edwin Thomas, titular da cadeira Professor Morris Cohen, de Ciência e Engenharia de Materiais. Um local onde um sensor ambiental desse tipo pode ser útil é em fábricas de processamento de alimentos; lá ele poderia indicar se a comida que deve permanecer seca foi demasiadamente exposta à umidade. Thomas é o principal autor de um paper sobre o trabalho a ser publicado na edição on-line da revista Nature Materials.

Um componente crítico do gel estruturado é um material que se expande ou contrai quando exposto a certos estímulos. Essas mudanças na espessura do gel levam-no a mudar de cor através de todo o espectro visível de luz.

Já existem objetos que refletem diferentes cores dependendo da forma como se olha para eles, porém uma vez que foram fabricados, suas propriedades não se alteram. A equipe do MIT se reuniu para criar um material que mudasse de cor em resposta a estímulos externos: “Queríamos desenvolver algo que fosse passível de ‘afinação’”, disse Thomas.

Para fazer isso, eles começaram com um filme fino de copolímero de bloco capaz de montar-se sozinho feito de camadas alternadas de dois materiais, poliestireno e poli-2-vinil-piridina. A espessura dessas camadas e seus índices de refratividade determinam a cor de luz que será refletida pelo gel resultante.

Ao manter a espessura da camada de poliestireno constante e alterar a espessura de poli-2-vinil-piridina (2VP) com estímulos externos tais como pH e concentração de sais, os pesquisadores foram capazes de mudar a cor do gel em fração de segundos.

“Este é um método engenhoso e de fácil implementação para fazer materiais fotônicos cujas propriedades óticas podem ser prontamente afinadas em um amplo espectro”, disse Andrew Lovinger, diretor do Programa de Polímeros da National Science Foundation, que financiou essa pesquisa.

O segredo, ao manipular a espessura da camada de 2VP, é dar aos nitrogênios em cada segmento de bloco de 2VP uma carga positiva, produzindo uma cadeia polieletrolítica que pode se dilatar mais de 1000% de seu volume em água.

Se as cargas ao longo do eixo da cadeia estão protegidas eletricamente umas das outras – por exemplo adicionando uma alta concentração de íons de sal à água que permeia o gel –, as cadeias de 2VP colapsam em confusões desordenadas, como bolas de um colar. Quando os íons de sal são lavados, as cargas positivas do 2VP novamente repelem umas às outras e a cadeia se estende, fazendo com que cada camada de 2VP se expanda e que o material reflita cores diferentes.

Como o filme de polímero diblock é uma pilha periódica unidimensional, a dilatação é limitada a uma dimensão, produzindo uma mudança de cor de 575% no comprimento de onda refletido, uma melhoria muito grande em relação aos primeiros géis que mudam de cor, feitos de coloides carregados em uma estrutura tridimensional em forma de treliça. Esses géis se expandem em três dimensões, dando uma amplitude de mudança de cores muito menor.

Os novos géis também são sensíveis a mudanças na pressão, na umidade e na temperatura. “Você pode usar forças mecânicas e químicas para conseguir respostas realmente grandes, atravessando todo o espectro da luz, do ultravioleta (300 nanômetros) ao infravermelho (1.600 nm)”, disse Thomas.

Sua equipe de pesquisa está trabalhando também em um gel que muda de cor em resposta a voltagens aplicadas.

Foto: Donna Coveney

Cristais de gel fotônico demonstraram o “afinamento” de materiais feitos de camadas alternadas de polímeros rígidos e moles. Os polímeros moles são facilmente dilatados com líquido ou vapor, fazendo com que os materiais reflitam diferentes cores de luz baseadas na forma como suas moléculas são quimicamente “afinadas”.

Publicado em 13 de novembro de 2007.