GRÃOS DE GEL QUE RASTEJAM PELO GELO SÓLIDO

Hidrogéis são redes de cadeias de polímero encharcadas de água. Eles podem inchar e encolher drasticamente e estão em toda parte: superabsorventes que absorvem líquidos derramados, géis carregados de fármacos que liberam o medicamento a uma taxa controlada, robôs moles, engenharia de tecidos, alimentos, cosméticos — até a cartilagem das nossas articulações se comporta como um hidrogel.

Tudo isso depende de uma coisa: como a água se move pelo gel. Três propriedades descrevem isso — a permeabilidade, a rigidez quando o gel é comprimido e a difusividade poroelástica, que define a rapidez com que o inchaço se propaga. Elas são notoriamente difíceis de medir, porque a água rasteja pelos géis com extrema lentidão. Os autores dão um exemplo: empurre água através de uma membrana de gel de 1 mm com uma diferença de pressão de 1 quilopascal e ela flui a cerca de um nanômetro por segundo. Medir a rigidez leva cerca de três horas por ponto de dado numa amostra de 1 mm.

Grãos que se movem pelo gelo

A equipe de Robert Style, na ETH Zurique, fabricou partículas de gel com raio de 8 a 14 micrômetros — muito menores que um grão de areia fina — a partir de um polímero comum, o PEGDA. Eles as congelaram numa célula fina entre dois blocos de cobre e as observaram ao microscópio.

Primeira surpresa: no gelo, os grãos encolhem. O gelo envolve cada grão, mas não consegue entrar em seus minúsculos poros. Em vez disso, ele puxa a água para fora do gel, como faria o ar seco. Isso se chama criossucção (cryosuction), e ela é forte: a sucção aumenta cerca de 1 megapascal a cada grau abaixo de zero. Entre 0 e −2 °C, os grãos perdem cerca de 20 % do raio — metade do volume.

Segunda surpresa: quando um lado da célula está mais quente que o outro, os grãos começam a se mover pelo gelo sólido, em direção ao lado quente, a cerca de 0,1 micrômetro por segundo, inchando à medida que avançam.

O mecanismo: a sucção é mais forte no lado frio de um grão. O gelo derrete no lado quente, a água atravessa o gel e volta a congelar no lado frio. Esse gelo novo empurra o grão para a frente. O experimento de controle é claro: partículas que a água não consegue atravessar não se movem nem um pouco.

Uma ferramenta de medição

Como a velocidade é determinada pela facilidade com que a água flui pelo gel, medir a velocidade dá diretamente a permeabilidade. E como os grãos encolhem à medida que esfriam, um único grão pode ser medido em muitos teores de água diferentes.

• A velocidade é proporcional ao gradiente de temperatura e independente do tamanho do grão, como a teoria prevê.
• A permeabilidade cai quase 100 vezes quando a fração de polímero sobe de 20 % para 45 %.
• A rigidez sobe de cerca de 1 para cerca de 30 megapascals na mesma faixa.
• A difusividade permanece quase constante, em cerca de 1,5 × 10⁻¹⁰ m²/s.
• Os valores concordam com as poucas medições existentes em géis semelhantes.

O livro-texto está errado

A alta resolução permitiu à equipe testar as fórmulas clássicas, que supõem uma rede de polímero ideal e uniforme. Elas não funcionam: as tendências medidas são muito mais acentuadas do que o previsto. A razão provável é que os géis reais são irregulares, com poros grandes e pequenos. Quando o gel seca, os poros grandes colapsam primeiro, tornando-o muito menos permeável e muito mais rígido do que uma rede ideal seria.

Uma ferramenta para géis reais

O método precisa apenas de volumes de picolitros em vez de microlitros, mede uma única amostra em muitos teores de água e produz milhares de pontos de dados por experimento em vez de um. Os autores planejam estendê-lo a pedaços de géis volumosos — incluindo materiais biológicos —, a soluções de polímeros e a sólidos porosos, e pedem novas teorias sobre como a água se move por géis reais.