DOE/Argonne National Laboratory

Descoberto um novo estado de material contra-intuitivo às leis da física

LEMONT, ILLINOIS. — Quando se espreme alguma coisa, ela fica menor. A menos que você esteja no Laboratório Nacional Argonne.

No laboratório, nos subúrbios de Chicago, um grupo de cientistas aparentemente conseguiu desafiar as leis da física e descobriu uma maneira de aplicar pressão de modo a fazer um material se expandir, em lugar de se comprimir ou contrair.

“É com se espremêssemos uma pedra e ela virasse uma enorme esponja”, diz Karena Chapman, uma química do laboratório do Departamento de Energia dos EUA. “Espera-se que os materiais fiquem mais densos e mais compactos sob pressão. O que estamos vendo é exatamente o oposto. O material comprimido fica com a metade da densidade do estado original. Isso é contra-intuitivo às leis da física”.

Como um tal comportamento parece ser realmente impossível, Chapman e seus colegas levaram vários anos testando e retestando o material, até que passaram a acreditar no inacreditável e compreenderam como o impossível era possível. A cada experiência, obtiveram os mesmos resultados atordoantes.

“As ligações no material se rearrumam completamente”, explica Chapman. “Isso me deixa perplexa”.

Esta descoberta vai acarretar mais do que ter que reescrever os livros de ciência; ela pode dobrar a variedade de materiais de estrutura porosa disponíveis para a fabricação de itens de tratamento de saúde e controle ambiental.

Os cientistas usam este tipo de materiais que têm buracos como uma esponja em sua estrutura, para capturar, armazenar e filtrar materiais. O formato dos buracos de “esponja” os torna particularmente adequados para moléculas específicas, permitindo seu uso como filtros d’água, sensores químicos e recipientes de armazenagem compressíveis para o sequestro de carbono de células combustíveis de hidrogênio. Ajustando as taxas de percolação, os cientistas podem adaptar essas estruturas para a aplicação dirigida de medicamentos e para dar início a reações químicas para a produção de quase qualquer coisa, de plásticos a alimentos.

“Isso pode não só abrir o caminho para tornar novos materiais porosos, como também nos dar acesso a novas estruturas para capacidade de selecionamento e novas taxas de percolação”, afirma Peter Chupas, um químico do Laboratório Argonne que colaborou na descoberta dos novos materiais.

Os detalhes do trabalho da equipe foram publicados na edição de 22 de maio de Journal of the American Chemical Society em um artigo intitulado “Explorando Altas Pressões para Gerar Porosidade, Polimorfismo e Expansão da Reticulação na Estrutura Molecular Não-porosa do Zn(CN)2” (“Exploiting High Pressures to Generate Porosity, Polymorphism, And Lattice Expansion in the Nonporous Molecular Framework Zn(CN)2 “).

Os cientistas puseram cianeto de zinco, um material usado em eletrodeposição, em uma bigorna de diamante na Fonte Avançada de Fótons (Advanced Photon Source = APS) no Laboratório Argonne e aplicaram altas pressões, da ordem de 0,9 a 1,8 gigaPascals, ou seja: de 9.000 a 18.000 vezes a pressão atmosférica. Estas altas pressões estão dentro da faixa obtenível pela indústria para sistemas de armazenamento a granel. Empregando diferentes fluidos no entorno do material enquanto ele era espremido, os cientistas conseguiram criar cinco novas fases do material, duas das quais mantiveram sua nova capacidade porosa em pressão normal. O tipo de fluido empregado determinava o formato dos poros da “esponja”. Esta foi a primeira vez que a pressão hidrostática conseguiu transformar materiais densos com estruturas atômicas interpenetradas em novos materiais porosos. Várias séries de experiências de difração raios-X de alta pressão series, in situ, foram feitas nas faixas de feixe de 1-BM, 11-ID-B e 17-BM da APS para estudar as transições do material.

“Aplicando a pressão fomos capazes de transformar um material normalmente denso e não-poroso em um leque de novos materiais porosos que podem conter até o dobro de outros materiais”, diz Chapman. “Esta descoberta contra-intuitiva provavelmente vai dobrar a quantidade de materiais de estrutura porosa que poderão expandir seu uso em aplicação de fármacos, sequestro [de gases], filtragem de materiais e catálise”.

Os cientistas continuarão a testar a nova técnica em outros materiais