Fibras de seda fundidas aproximam-se do Kevlar e podem apoiar 6G

A seda sempre carregou a fama de ser resistente. As aranhas recorrem a ela para tecer teias capazes de aguentar ventos fortes e o impacto de insectos em voo.

Os bichos-da-seda envolvem-se neste material para se protegerem. E, há milhares de anos, os humanos transformaram-na em roupa por ser leve, maleável e duradoura.

A fusão das fibras de seda

Agora, uma equipa de investigadores encontrou uma forma de transformar a seda em algo muito mais robusto do que um simples tecido.

Na prática, o novo material consegue competir com alguns compósitos industriais avançados e chega mesmo a aproximar-se do Kevlar em termos de tenacidade.

Também resiste melhor a impactos balísticos do que plásticos reforçados com fibra de carbono, colocando a seda num patamar muito diferente do de cachecóis e vestidos.

Este material não depende de químicos sintéticos complexos nem de processos de fabrico com elevado consumo energético.

Em vez disso, os cientistas descobriram um método mais directo para fundir fibras naturais de seda entre si, preservando grande parte da sua força original.

O trabalho foi liderado por investigadores da Tufts University, do Imperial College London e da University of Michigan.

Limites do processamento da seda

Há anos que engenheiros tentam aproveitar a seda na medicina e na electrónica. As proteínas da seda são biocompatíveis, ou seja, o corpo tende a tolerá-las bem.

Isso torna a seda interessante para implantes, reparação de tecidos e até dispositivos electrónicos flexíveis.

No entanto, existia um entrave. Muitos métodos actuais dissolvem as fibras de seda em proteínas e depois “reconstroem-nas” do zero.

Esse caminho exige grandes quantidades de água, químicos, energia e tempo - e, além disso, enfraquece o material.

“Este processo desagrega as fibras naturais nas proteínas individuais de fibroína da seda antes de as processar em novas formas, pelo que perdemos muita da resistência inerente das fibras originais”, afirmou Chunmei Li, professora assistente de investigação na Tufts School of Engineering.

“Com este novo método, não é preciso dissolver a seda - limitamo-nos a alinhar as fibras e a aplicar calor e pressão, e elas fundem-se numa única etapa.”

E essa alteração, por si só, revelou-se determinante.

Calor, pressão e fibras alinhadas com precisão

O método começa com fibras de seda disponíveis comercialmente, obtidas a partir de casulos de mariposas.

Primeiro, os investigadores removem a sericina, o revestimento exterior pegajoso que ajuda os insectos a formar os casulos. Depois, alinham as fibras e comprimem-nas com calor e pressão.

No interior das fibras de seda existem duas regiões proteicas distintas. Uma delas é altamente organizada e cristalina, o que confere resistência. A outra é mais flexível e com maior mobilidade.

“A seda é como um compósito”, explicou o Professor David Kaplan, Stern Family Endowed Professor of Engineering na Tufts.

“Há uma fase mais móvel e amorfa das proteínas da fibra, e há a parte da cadeia proteica que se dobra para formar superfícies em forma de folhas que se empilham em estruturas cristalinas.”

“Em conjunto, dão às fibras de seda a sua resistência, tenacidade e flexibilidade. Mas é a parte móvel que permite que as fibras se fundam sob calor e pressão.”

A equipa identificou uma janela de processamento ideal entre 257 e 419 graus Fahrenheit (cerca de 125–215 °C) e pressões entre 1.900 e 9.800 atmosferas.

Com valores mais baixos, o material ficava mais solto. Com demasiado calor, a seda tornava-se quebradiça.

No fim, obtém-se um sólido denso em que grande parte da estrutura molecular original da seda se mantém, ao mesmo tempo que as fibras ficam ligadas entre si.

Mais forte do que madeira e osso

Depois de fundida, a seda passa a apresentar uma estrutura interna em camadas, com algumas semelhanças à madeira. Em ambos os casos, feixes de fibras orientam-se na mesma direcção e ajudam a transferir tensões ao longo da estrutura.

Essa organização traduz-se numa resistência notável. Os investigadores relataram que a seda fundida superou tanto a madeira como o osso em tenacidade à tracção.

Além disso, mostrou desempenho competitivo face a alguns dos plásticos e compósitos de engenharia mais resistentes utilizados actualmente. O comportamento perante impacto balístico foi igualmente marcante.

Os compósitos de fibra de carbono são comuns em aeronaves, carros de corrida e equipamento desportivo por serem leves e fortes. Ainda assim, este material de seda ultrapassou-os em resistência ao impacto.

Esta combinação de elevada resistência com baixo peso pode abrir oportunidades em sectores que procuram alternativas a materiais de base petrolífera.

Ao contrário de muitos compósitos sintéticos, a seda é renovável e biodegradável.

Uma ligação a futuras redes sem fios

O material revelou também um comportamento óptico pouco habitual.

Cientistas da University of Michigan observaram que a seda fundida consegue polarizar radiação terahertz, situada entre a luz infravermelha e as micro-ondas no espectro electromagnético.

As ondas terahertz já são usadas em scanners de aeroportos e em alguns sistemas de imagiologia médica. Também estão a ser estudadas para futuras soluções de comunicação sem fios.

A equipa considera que a seda fundida poderá, no futuro, ter um papel na tecnologia 6G, que os investigadores esperam que permita velocidades de transmissão muito superiores às das redes 5G actuais.

A polarização poderá ainda ajudar a transportar mais informação nos sinais sem fios - algo que poucos associariam à seda.

Um material que funciona dentro do corpo

Os investigadores avaliaram igualmente o comportamento da seda fundida quando implantada em animais.

O material provocou apenas respostas imunitárias ligeiras, e essas reacções diminuíram com o tempo.

O seu desempenho também pode ser ajustado consoante a densidade com que as fibras são fundidas.

Versões menos densas permitem que as células penetrem no material e o degradem gradualmente. Já as versões mais densas mantêm-se estáveis durante períodos mais longos.

“Conseguimos controlar a rapidez com que o material se degrada consoante as condições que usamos”, disse Li.

Implicações mais amplas do estudo

A flexibilidade do material pode torná-lo útil na medicina. Materiais temporários que desaparecem lentamente são valiosos na reparação de tecidos e na medicina regenerativa.

Por outro lado, versões mais duradouras poderão ajudar a dar suporte a ossos ou articulações danificadas.

“Devido à sua resistência, poderia potencialmente ser utilizado em dispositivos de fixação, como placas, pinos e parafusos, para suportar fracturas ósseas”, salientou Li.

A seda já atravessou milhares de anos como um dos materiais mais úteis da natureza. Esta nova versão poderá dar-lhe um futuro completamente diferente.

O estudo completo foi publicado na revista Nature Sustainability.