Material natural mais abundante na Terra e usado como matéria-prima para fabricação de papel, a celulose tem sido subutilizada como insumo em processos químicos. Uma das razões para isso é que muitas das aplicações químicas da celulose envolvem sua dissolução, e o polímero é insolúvel em água e em muitos solventes orgânicos (substâncias solubilizantes).
A fim de tentar romper essa barreira, Björn Lindman, professor do Departamento de Físico-Química da Lund University, na Suécia, tem se dedicado nos últimos anos a avançar no conhecimento e desenvolver estratégias que possibilitem a solubilização da celulose.
Alguns dos resultados mais recentes de suas pesquisas foram apresentados no dia 31 de outubro, durante palestra na Escola São Paulo de Ciência Avançada sobre Coloides.
Apoiado pela FAPESP, na modalidade Escola São Paulo de Ciência Avançada (ESPCA), o evento termina nesta quarta-feira (07/11) na Universidade Estadual de Campinas (Unicamp) e no Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM), com atividades no Instituto de Química da Universidade de São Paulo (USP). O encontro tem a participação de 94 estudantes de pós-graduação e jovens pesquisadores, sendo 52 deles brasileiros e 42 estrangeiros.
“O avanço no conhecimento e o desenvolvimento de estratégias para dissolução da celulose permitiram melhorar a utilização do material em aplicações como regeneração de fibras de celulose, promover reações químicas homogêneas voltadas ao desenvolvimento de materiais ‘verdes’ e produtos químicos e o desenvolvimento de materiais compósitos [combinação de materiais diferentes], como nanocelulose e revestimentos”, disse Lindman.
De acordo com o pesquisador, uma das explicações encontradas na literatura para a insolubilidade da celulose na água é a capacidade do polímero formar muitas e fortes ligações de hidrogênio intra e intermoleculares.
Essa explicação sugere que a chave para a solução desse problema da solubilidade da celulose seria identificar um solvente que possa destruir efetivamente as ligações de hidrogênio entre cadeias na celulose.
A quebra das ligações de hidrogênio intra e intermoleculares da celulose, contudo, levam à formação de ligações de hidrogênio entre celulose e água, que são tão fortes quanto as primeiras, de acordo com Lindman.
“Isso nos leva à conclusão de que as ligações de hidrogênio entre cadeias na celulose não são a força motriz e não explicam a baixa solubilidade aquosa do polímero. Outros fatores podem estar envolvidos”, disse
Ao estudar as interações intermoleculares da celulose e os mecanismos de dissolução do polímero, o pesquisador, em colaboração com colegas da Universidade de Algarve, em Portugal, observou que a celulose é significativamente anfifílica – apresenta uma região polar ou hidrofílica (que se dissolve na água) e outra apolar ou hidrofóbica (que não se dissolve na água).
“Constatamos que as interações hidrofóbicas da celulose desempenham um papel significativo na estrutura cristalina e são importantes para explicar a baixa solubilidade aquosa do material”, disse Lindman.
A partir de análises da estrutura de cristais de celulose, eles verificaram que, devido à ligação de hidrogênio intra e intermolecular, há uma formação de fitas bastante planas no material, com lados que diferem acentuadamente em sua polaridade.
Os lados hidrofóbicos teriam uma grande tendência de se manterem uns nos outros em um ambiente aquoso, contribuindo para a baixa solubilidade da celulose.
Com base nessas constatações, os pesquisadores estimaram que a solubilidade da celulose seria facilitada em solventes que também são anfifílicos, ou seja, têm partes polares e não polares, como eletrólitos com um íon altamente polarizável e N-óxido de N-metilmorfolina (NMMO).
Compostos cossolutos (que também se dissolvem), como a ureia e seus derivados e o polietilenoglicol, que têm a tendência de enfraquecer interações hidrofílicas, e outros surfactantes (substâncias anfifílicas) também podem contribuir para promover a solubilidade aquosa da celulose, estimaram os pesquisadores.
“Essas descobertas abriram as portas para o desenvolvimento de estratégias para dissolução da celulose diferentes das baseadas em quebrar as pontes de hidrogênio para induzir ou aumentar a solubilidade do material”, disse Lindman.
Sistemas coloidais
Durante a Escola foram discutidos diversos tipos de coloides, que são substâncias finamente dispersas em outras, normalmente um solvente. O tamanho das partículas encontradas em uma dispersão coloidal varia entre 1 e 1.000 nanômetros (bilionésima parte do metro). Os dois componentes são referidos como fase dispersa e fase contínua, respectivamente. Qualquer fase pode ser um sólido, líquido ou gás, criando uma gama de possíveis sistemas coloidais.
Muitos coloides existem na natureza, enquanto outros são feitos pelo homem, como leite (gordura líquida dispersa como gotas finas em uma fase contínua aquosa), fumaça (partículas sólidas dispersas no ar), osso (pequenas partículas de fosfato de cálcio dispersas em uma matriz sólida de colágeno), tinta (pequenas partículas sólidas dispersas em um solvente) e espuma de barbear (minúsculas bolhas de ar espalhadas pelo sabão líquido).
“Coloide é a base da nanociência e da nanotecnologia. A Escola tratará das diferentes técnicas para caracterizar e investigar esses sistemas que são muito usados na indústria cosmética, de formulações e de medicamentos, por exemplo”, disse Watson Loh, professor do Instituto de Química da Unicamp e coordenador da ESPCA sobre Coloides.
O programa da ESPCA sobre Coloides abordou aspectos fundamentais de sistemas coloidais, seguidos da apresentação e atividades práticas envolvendo as técnicas experimentais de espalhamento (luz, raios X e nêutrons), microscopia (eletrônica, criogênica), fluorescência, caracterização de superfícies e simulação por dinâmica molecular.
“A programação ocorreu em três centros: Unicamp, CNPEM e USP. Os alunos aprenderam técnicas de microscopia crioeletrônica – técnica que ganhou o Nobel de Química do ano passado –, cujo equipamento o Laboratório Nacional de Nanotecnologia está adquirindo. Usamos também uma linha do Laboratório Nacional de Luz Síncrotron, fazendo experimentos no próprio anel, além de conhecer a nova fonte de luz síncrotron brasileira, do projeto Sirius. Os alunos tiveram contato com o que está na fronteira do conhecimento”, disse Loh, que também é membro da Coordenação Adjunta – Equipamentos Multiusuários (EMU) da FAPESP.
Após o dia de encerramento da ESPCA sobre Coloides, será realizado o 6th Meeting on Self Assembly Structures In Solution and at Interfaces, na cidade de São Pedro (SP).
“São eventos diferentes, mas muitos palestrantes e alunos participarão de ambos. A área de estudo em coloides é transdisciplinar e será uma oportunidade dupla de juntar todos esses especialistas”, disse Loh.
Fonte: FAPESP
