Nanociência em Queda Livre

Não é muito difícil imaginar o laboratório de um grupo de cientistas de materiais: num ambiente claro e limpo, temos algumas bancadas ou mesas, óculos de proteção, jalecos e equipamentos como computadores, microscópios, centrífugas e a indispensável máquina de café. É em lugares assim que são estudados e desenvolvidos novos materiais com as mais diversas aplicações. Mas nem todo material pode ser estudado com esses aparatos num ambiente laboratorial tranquilo. Essa é uma das descobertas feitas recentemente por pesquisadores australianos.

Existe um tipo de nano-estrutura repleta de buracos moleculares que está chamando a atenção de cientistas de materiais: são os Metal-Organic Frameworks ou Esqueletos Metal-Orgânicos (vamos chamá-los de EMOs). Os EMOs são parecidos com uma esponja molecular e têm uma estrutura cristalina com milhões de poros num espaço minúsculo. De fato, graças a esses furinhos pequeniníssimos uma colherada de EMO pode ter a mesma superfície de um campo de futebol. Por isso, os EMOs têm inúmeras aplicações potenciais — do armazenamento de gases do efeito estufa à proteção e transporte de medicamentos delicados demais para o interior do corpo humano.

Na Austrália, cientistas de materiais da Universidade de Melbourne e da Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO) estão entre os que se dedicam a estudar os cristais de EMO. “Há várias maneiras pelas quais podemos alterar a estrutura dos cristais de EMO para criar novas aplicações, como alterações de temperatura ou adição de água ou álcool ou sabão”, explicou Joseph Richardson, cientista de materiais da CSIRO, ao Phys.org. “Agora podemos adicionar mais uma ferramenta na fabricação de EMOs: gravidade”.

O efeito da gravidade na formação de estruturas cristalinas é bem conhecido, mas o que Richardson e seus colegas queriam saber é se isso se aplicaria à formação de EMOs. Simular uma gravidade mais intensa é algo relativamente simples: basta submeter as amostras às forças de uma centrífuga encontrada em qualquer laboratório. O problema encontrado pelos pesquisadores australianos foi replicar os efeitos de uma gravidade menor. Por mais bem-equipado que seja, não dá pra reduzir a gravidade de um laboratório.

Jeitinho australiano

Mandar amostras de EMOs para análises e experiências na baixa gravidade da Estação Espacial Internacional estava fora de alcance por limitações orçamentárias e logísticas. Outra possibilidade — fazer os experimentos num avião em queda livre controlada — também estava indisponível na Austrália. O jeito foi improvisar.

A princípio, Richardson e seus colaboradores tentaram soltar tubos com soluções de EMO do alto de um prédio de dez andares. No entanto, a aceleração obtida por meio dos acelerômetros de celulares envoltos em espuma mostrou que o tempo da queda — de 1 a 3 segundos — seria insuficiente para a cristalização. Seus cálculos indicavam a necessidade de 20 segundos em queda livre para o experimento com EMOs funcionar.

Outra abordagem, envolvendo balões de ar quente ou drones, chegou a ser considerada mas não saiu do papel. No caso dos balões não haveria muita diferença: só 4 segundos de queda. O uso de drones implicaria a criação de um complexo sistema de controle das amostras, que precisariam ser misturadas num determinado tempo durante o mergulho aéreo. Peraí, mergulho aéreo? E se os próprios pesquisadores caíssem livremente enquanto misturavam as amostras e realizavam a cristalização?

Ciência de para-quedas

Ainda que arriscado, um salto de para-quedas seria bem mais barato que recorrer aos astronautas na estação espacial. Quando Richardson apresentou essa abordagem radical para estudar EMOs, encontrou três voluntários: Matthew Faria e Mattias Bjornmalm, ambos doutorandos em Engenharia Química da Universidade de Melbourne e Fabio Lisi, da Escola de Química da mesma instituição. Dos três cientistas-paraquedistas apenas Faria já havia praticado paraquedismo. Outro doutorando, Junling Guo, seria o responsável pelo recolhimento das amostras e dos colegas em solo. O salto de Mattias pode ser visto no vídeo a seguir:

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Para permitir várias replicações de uma vez só, cada um saltou com algumas seringas especialmente adaptadas para a inusitada experiência. Tal redundância deu certo, porque algumas das amostras não resistiram às condições da queda livre e partiram-se. “Nós sabíamos que só tínhamos uma chance nisso porque saltar de para-quedas não é barato e na época não sabíamos se seria possível manejar as amostras durante o salto”, disse Faria.

Assim que recolheu as amostras sobreviventes, Guo correu para colocá-las numa centrífuga portátil instalada no porta-malas de um carro. A leve centrifugação serviu para estabilizar as amostras antes da medição do crescimento dos cristais.

Os resultados, publicados nesta segunda (04/07) por Richardson et. al. no European Journal of Inorganic Chemistry, comprovaram a influência gravitacional na formação de cristais de EMO, que é inversamente proporcional: quanto menor a gravidade, maiores os cristais.

Fazer ciência fora do laboratório acabou sendo divertido. Tão divertido que os cientistas não resistiram e incluíram uma observação cômica sobre sua metodologia no paper: “Períodos prolongados de baixa gravidade foram gerados por meio de saltos de aeroplanos com auxílio de para-quedas para minimizar os riscos gravitacionais após a queda livre”. O próximo desafio não vai ser menos radical: encontrar um meio de produzir EMOs sob baixa gravidade dentro de um laboratório.

Referência
Joseph J. Richardson et al. Controlling the Growth of Metal-Organic Frameworks Using Different Gravitational-Forces [Controlando o Cresccimento de Esqueletos Metal-Orgânicos Usando Diferentes Forças Gravitacionais]. European Journal of Inorganic Chemistry (2016). DOI: 10.1002/ejic.201600338