Filmes finos modelados a laser que incham em estruturas semelhantes a kirigami oferecem novas oportunidades na tecnologia de hidrogel

Novas opções para fazer materiais macios, flexíveis e expansíveis, finamente estruturados, chamados hidrogéis, foram desenvolvidas por pesquisadores da Universidade de Agricultura e Tecnologia de Tóquio (TUAT).

Seu trabalho amplia o campo emergente dos “hidrogéis de kirigami”, nos quais os padrões são cortados em uma película fina, permitindo que mais tarde inche em estruturas complexas de hidrogel. A pesquisa está publicada na revista Ciência e Tecnologia de Materiais Avançados.

Os hidrogéis possuem uma rede de moléculas que atraem água (hidrofílicas), permitindo que sua estrutura inche substancialmente quando exposta à água que é incorporada à rede molecular. Os pesquisadores Daisuke Nakagawa e Itsuo Hanasaki trabalharam com um filme inicialmente seco composto por nanofibras de celulose, material natural que forma grande parte da estrutura das paredes celulares das plantas.

Eles usaram processamento a laser para cortar estruturas no filme antes de adicionar água, permitindo que o filme inchasse. O desenho particular do padrão Kirigami funciona de tal forma que a largura aumenta quando esticado na direção longitudinal, o que é chamado de propriedade auxética. Esta propriedade auxética surge desde que a espessura cresça suficientemente quando a película fina original estiver molhada.

“Como Kirigami significa literalmente o desenho de corte de papéis, ele foi originalmente planejado para estruturas de folhas finas. Por outro lado, nosso mecanismo auxético bidimensional se manifesta quando a espessura da folha é suficiente, e esta tridimensionalidade da estrutura do hidrogel emerge inchando quando é usado. É conveniente armazená-lo seco antes do uso, em vez de manter o mesmo teor de água do hidrogel”, diz Hanasaki.

“Além disso, a auxeticidade é mantida durante o carregamento cíclico que faz com que a deformação adaptativa do hidrogel atinja outro estado estrutural. Será importante para o projeto de materiais inteligentes.”

As aplicações potenciais para os hidrogéis adaptativos incluem componentes moles de tecnologias robóticas, permitindo-lhes responder de forma flexível ao interagir com objetos que estão manipulando, por exemplo. Eles também podem ser incorporados em soft switches e componentes de sensores.

Os hidrogéis também estão sendo explorados para aplicações médicas, incluindo engenharia de tecidos, curativos para feridas, sistemas de administração de medicamentos e materiais que podem se adaptar de forma flexível ao movimento e ao crescimento. O avanço nos hidrogéis de kirigami alcançado pela equipe do TUAT amplia significativamente as opções para futuras aplicações de hidrogel.

“Manter as características projetadas e ao mesmo tempo mostrar adaptabilidade às condições ambientais é vantajoso para o desenvolvimento da multifuncionalidade”, conclui Hanasaki.