Estudar os fundamentos da água como solvente pode levar a produtos mais ecológicos

A água não é apenas um solvente universal que não é afetado pelas suas interações. Novas publicações da Universidade Estadual da Carolina do Norte (NC) mostram que a água pode alterar suas características de solubilidade dependendo de como ela interage. Especificamente, quando a água interage com a celulose, ela pode empilhar-se em camadas para controlar as reações químicas e as propriedades físicas do material. O trabalho tem implicações para um design mais sustentável e eficiente de produtos à base de celulose.

“A celulose é o biopolímero mais abundante do mundo e é usada em aplicações que vão desde curativos até eletrônicos”, diz Lucian Lucia, professor de biomateriais florestais e química na NC State e autor correspondente deum novo estudo na matéria. “Mas o processamento da celulose tem sido feito principalmente por tentativa e erro, e parte dele utiliza produtos químicos incrivelmente agressivos. Para encontrar melhores formas de processar a celulose, precisamos de compreender as suas interações mais fundamentais – por exemplo, com a água.”

Para isso, ele trabalhou com o colega Jim Martin, professor de química da NC State, que estuda as propriedades fundamentais da água como solvente.

“A água tem a incrível capacidade de mudar as características dependendo do seu conteúdo, o que lhe confere uma ampla gama de características de solubilidade”, diz Martin. Martin é autor de um artigo de opinião na Matter que acompanha o estudo de Lucia.

“Mudamos a natureza da água pelo que dissolvemos nela e pelas concentrações desses solutos na água”, diz Martin. “Pense no continuum entre Kool-Aid e rebuçados. Você começa com açúcar. No Kool-Aid o açúcar está completamente dissolvido. À medida que você remove a água, você obtém caramelo, depois rebuçado e depois volta ao açúcar cristalino.

“Sabemos que a água é fundamental para a formação da celulose”, diz Lucia. “Portanto, neste estudo investigamos como ele se orienta e desempenha um papel reativo na mitigação ou alavancagem da química.”

Os pesquisadores manipularam fisicamente diferentes tipos de fibras de madeira e observaram como a água se ligava a si mesma e a outras moléculas dentro das estruturas resultantes. Eles viram que com teores mais baixos de água, a distribuição da água e as interações moleculares resultantes entre a água e as fibras criam estruturas de ponte dentro do material que fazem com que ele perca flexibilidade.

Na verdade, viram que a água pode “esconder-se” dentro da rede de celulose, formando fortes ligações de hidrogénio. Esta ligação, por sua vez, determina a estanqueidade ou frouxidão das estruturas de ponte.

“A água forma conchas em torno das fibras que podem empilhar-se, como uma boneca russa aninhada”, diz Martin. “Quanto menos cascas, ou camadas, mais duras são as fibras. Mas quando você adiciona mais camadas, a conexão entre as fibras fica mais distante e o material fica mais macio.”

Os pesquisadores esperam explorar a variedade de ligações que a água forma dentro dessas estruturas em trabalhos futuros.

“O estudo dessas interações em nível molecular abre caminho para a manipulação da água na celulose para projetar melhores produtos e processos”, diz Lucian. “Compreender o que está acontecendo a partir de princípios fundamentais nos permite projetar abordagens que aproveitem as propriedades da água para tudo, desde a administração de medicamentos até o projeto de eletrônicos.”

O artigo de pesquisa, “Insights computacionais e experimentais sobre a arquitetura molecular de redes água-celulose”, e o artigo editorial, “Água sob a influência de solutos: sobre a não inocência de um solvente universal”, ambos aparecem na edição de 3 de maio. edição da Matéria. O trabalho foi apoiado em parte pela National Science Foundation. O ex-aluno de doutorado da NC State, Kandoker Samaher Salem, é o primeiro autor do artigo de pesquisa. Os coautores incluem o ex-aluno de doutorado da NC State, Nelson Barrios, e os atuais professores da NC State, Hasan Jameel e Lokendra Pal.

- Este comunicado de imprensa foi publicado originalmente no site da North Carolina State University