Nos últimos anos, os cientistas de materiais têm criado novos materiais com uma variedade de propriedades vantajosas que podem melhorar o desempenho de diferentes tecnologias e dispositivos. Isso inclui fibras à base de hidrogel e peles artificiais, que podem ajudar a criar robôs humanoides macios, próteses e até roupas inteligentes confortáveis ou dispositivos vestíveis.

"Percebemos que, embora muitas fibras sintéticas de hidrogel tenham sido sintetizadas para imitar as funções básicas de fibras biológicas como seda, músculo e fibras nervosas, a maioria delas tem uma resistência muito fraca a danos, o que limita muito sua durabilidade", Shengtong Sun, um dos pesquisadores que realizaram o estudo, disse. “Isso pode ser resolvido aprendendo a estrutura da seda da aranha, que representa quase o limite de resistência dos materiais biológicos naturais conhecidos”.

As aranhas tecem teias de seda muito fortes a partir de um dope aquoso, uma solução líquida cristalina na qual as moléculas de proteína podem se mover livremente, mantendo algum grau de ordem. As teias que eles criam seguem uma estrutura hierárquica nanoconfinada com propriedades mecânicas vantajosas.

“Prevemos que o complexo iônico de um polieletrólito higroscópico, carregado positivamente (PDMAEA-Q) e ácido polimetacrílico (PMAA) poderia ser um sistema ideal para produzir fibras de hidrogel tolerantes a danos”. Sol explicou. "Na fibra formada, o PMAA formaria aglomerados fortes ligados por hidrogênio embutidos na matriz macia de complexos iônicos. Isso poderia, teoricamente, imitar a estrutura nanoconfinada da seda de aranha para um melhor desempenho mecânico."

As microfibras de hidrogel dos pesquisadores foram produzidas em condições ambientais , assim como aquelas em que as aranhas produzem sua teia. Eles usaram uma técnica conhecida como fiação por pultrusão para formar as fibras a partir de uma solução aquosa contendo PMAA e PDMAEA-Q.

"O nanoconfinamento espontâneo de cadeias de PMAA (aglomerados ligados por H) ocorre naturalmente durante a evaporação da água como nanofases separadas incorporadas na matriz macia de PDMAEA-Q/PMAA", disse Sun. "Tal nanoconfinamento hierárquico confere microfibras de hidrogel com propriedades mecânicas muito altas. Por exemplo, a fibra de hidrogel é bastante robusta com um alto módulo de Young de 428 MPa e alongamento de 219%."

Nas avaliações iniciais, as microfibras criadas pelos pesquisadores apresentaram propriedades altamente promissoras. Por exemplo, descobriu-se que eles tinham uma alta capacidade de amortecimento e resistência a rachaduras, bem como uma alta sensibilidade à umidade que lhes permitia contrair, reter formas específicas e "autocurar" rapidamente quando danificados.

"Em geral, as altas propriedades mecânicas exigem fortes ligações covalentes, enquanto a capacidade de reparo rápido requer redes altamente dinâmicas, que são inerentemente contraditórias", disse Sun. "Nós lidamos com esse problema empregando a estrutura nanoconfinada semelhante a seda de aranha. É importante ressaltar que essa estrutura hierárquica se forma espontaneamente durante a evaporação da água, evitando as etapas tediosas e de alto custo de energia para tratamento posterior".

O trabalho recente dessa equipe de pesquisadores poderá em breve inspirar a produção de outros materiais fibrosos de alto desempenho baseados em estruturas nanoconfinadas e processos de fiação semelhantes. Além disso, as microfibras de hidrogel inspiradas em seda de aranha que eles criaram poderão em breve ser aplicadas e avaliadas em ambientes do mundo real, por exemplo, como fibras atuantes de membros protéticos ou dispositivos vestíveis.

“Mostramos que as fibras de hidrogel com uma estrutura nanoconfinada podem exibir propriedades muito boas, mas a resistência das fibras ainda não é comparável à da seda de aranha real ”, acrescentou Sun. “No futuro, tentaremos introduzir nanocristais ainda mais fortes como nanoconfinamento para melhorar ainda mais as propriedades mecânicas das fibras de hidrogel ”.