Vidro com DNA é 4 vezes mais forte e 5 vezes mais leve que o aço

Redação do Site Inovação Tecnológica - 03/10/2023

As fitas de DNA guiam os cristais de vidro, gerando uma rede cristalina muito leve e muito resistente.
[Imagem: Aaron Michelson et al. - 10.1016/j.xcrp.2023.101475]

Vidro de DNA

O vidro é um material amorfo, o que significa que ele não possui a estrutura cristalina "coesa" dos metais. Muitos cientistas acreditam que as falhas e impurezas presentes nessa estrutura amorfa sejam a principal explicação dos pontos fracos que tornam os vidros tão quebradiços.

Tentando verificar se essa hipótese está correta, Aaron Michelson e colegas de várias universidades dos EUA tentaram uma abordagem inusitada: Usar moléculas de DNA para "alinhavar" os grânulos do vidro, evitando que eles se rompam, reduzindo o risco de que o vidro se quebre.

Deu muito certo: Eles conseguiram fabricar uma forma pura de vidro que não apenas é mais forte do que o aço, mas também é incrivelmente leve. Materiais que possuem essas duas qualidades são incomuns. Assim, se for possível levar a técnica da bancada de laboratório para o ambiente industrial, isso deverá viabilizar aplicações de engenharia totalmente novas.

Construção com DNA

Nos seres vivos, o ácido desoxirribonucléico, mais comumente conhecido como DNA, carrega informações biológicas que instruem as células dos organismos sobre como se formar, crescer e se reproduzir. Mas essencialmente o DNA é um polímero, uma classe de materiais resistentes e elásticos que inclui o plástico e a borracha.

O modo preciso de conexão dos pares de base do DNA criaram todo um novo campo de pesquisa e desenvolvimento, conhecido como origami de DNA, que tem sido usado para criar as mais diversas estruturas, com aplicações dos medicamentos aos componentes eletrônicos. A sua resiliência e simplicidade têm inspirado muitas experiências interessantes, incluindo um bizarro diamante de ouro.

As formas geradas nesse origami molecular funcionam como blocos de construção em nanoescala, que podem ser programados usando ligações endereçáveis de DNA para se automontar. Isto significa que estruturas bem definidas com um padrão repetitivo podem se formar espontaneamente a partir desses blocos de DNA de origami.

O que a equipe fez agora foi usar um suporte biomolecular de DNA para criar estruturas de sílica - o principal componente do vidro - que preservam a arquitetura do próprio suporte.

O material superou todos os concorrentes.
[Imagem: Aaron Michelson et al. - 10.1016/j.xcrp.2023.101475]

DNA mais biomineralização

Contando com os avanços já feitos com o origami de DNA, a equipe complementou seu processo de fabricação lançando mão de outra técnica inspirada nos seres vivos, a biomineralização, a forma como certos tecidos vivos produzem minerais para se tornarem mais duros, como os ossos.

Uma camada muito fina de vidro de sílica, com apenas cerca de 5 nanômetros de espessura, foi usada para revestir as estruturas de DNA. Isso deixou espaços internos abertos, deixando o material resultante ultraleve. Nesta pequena escala, o vidro é insensível a falhas ou defeitos, proporcionando uma resistência que não é vista em pedaços maiores de vidro, onde se desenvolvem fissuras que o deixam sujeito à quebra.

"Para medir a resistência dessas estruturas minúsculas, empregamos uma técnica chamada nanoindentação," explicou Michelson. "A nanoindentação é um teste mecânico em escala muito pequena realizado usando um instrumento preciso que pode aplicar e medir forças resistivas. Nossas amostras têm apenas alguns micrômetros de espessura, cerca de um milésimo de milímetro, então é impossível medir esses materiais por meios convencionais. Usando um microscópio eletrônico e a nanoindentação juntos, podemos medir simultaneamente o comportamento mecânico e observar o processo de compressão."

Os testes mostraram que a rede de DNA revestida de vidro é quatro vezes mais forte do que o aço! Ainda mais interessante, a densidade do material é cerca de cinco vezes menor do que a do aço. Embora existam materiais fortes e considerados bastante leves, este grau nunca havia sido alcançado.

Ainda há muito trabalho a ser feito antes de trazer esse material para a escala humana e pensar na infinidade de aplicações para ele. Contudo, há motivos para entusiasmo: A equipe já está planejando testar a técnica em outros materiais, como as cerâmicas de metal duro - usadas na indústria e nas mais diversas ferramentas de corte - que são ainda mais fortes do que o vidro, o que poderá criar materiais leves ainda mais fortes no futuro.

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