Esponjas poliméricas microporosas compressíveis e monolíticas preparadas através de um

Scientific Reports volume 5, Número do artigo: 15957 (2015) Citar este artigo

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Polímeros microporosos (MPs) compressíveis e monolíticos são relatados. MPs foram preparados como monólitos através de uma reação de acoplamento Sonogashira-Hagihara de 1,3,5-trietinilbenzeno (TEB) com o monômero bis(bromotiofeno) (PBT-Br). Os polímeros eram compressíveis reversivelmente e eram facilmente cortados em qualquer forma usando uma faca. Estudos de microscopia nas MPs revelaram que os polímeros tinham microestruturas tubulares, semelhantes àquelas frequentemente encontradas em esponjas marinhas. Sob compressão, a flambagem elástica dos feixes de tubos foi observada usando um microscópio óptico. MP-0.8, que foi sintetizado usando uma proporção molar de 0,8:1 de PBT-Br para TEB, mostrou microporosidade com uma área de superfície BET tão alta quanto 463 m2g–1. O polímero era muito hidrofóbico, com um ângulo de contato com a água de 145° e absorvia de 7 a 17 vezes seu próprio peso em líquidos orgânicos. Os absorbatos foram liberados por compressão simples, permitindo o uso reciclável do polímero. MPs são potenciais precursores de materiais de carbono estruturado; por exemplo, um material parcialmente grafítico foi obtido por pirólise de MP-0.8, que apresentou uma estrutura tubular semelhante à de MP-0.8.

As fascinantes morfologias das esponjas marinhas inspiraram pesquisadores na ciência dos materiais. As células da superfície externa de uma esponja têm muitos pequenos orifícios chamados poros dérmicos, através dos quais grandes volumes de água podem se mover dentro da esponja. Canais internos também são encontrados nas células da superfície externa. O esqueleto de uma esponja consiste em colágenos e componentes inorgânicos, como sílica e carbonato de cálcio. Algumas esponjas possuem fibras colágenas que constituem uma estrutura em rede, denominada espongina1. Estruturas semelhantes a esponjas foram amplamente adaptadas para materiais sintéticos e mostraram desempenho aprimorado em sua aplicação em várias áreas, como nanogeração, catálise, supercapacitância, fotovoltaica, liberação de drogas e geração de tecidos2,3,4,5,6,7,8 .

Como material, uma esponja é caracterizada por sua porosidade, flexibilidade e compressibilidade. Esponjas com uma estrutura em rede de fibras de espongina obtidas de animais marinhos têm sido usadas para remover líquidos por absorção desde os tempos antigos. Há também uma variedade de esponjas de polímeros sintéticos disponíveis. Um dos métodos mais comuns para sintetizar esponjas é misturar um polímero com um cristal inorgânico, como o sulfato de sódio, que é então removido por aquecimento da mistura para gerar poros na matriz polimérica. O tamanho do poro formado depende do tamanho dos cristais, que geralmente varia do milímetro até a escala do micrômetro. Esponjas preparadas usando o método de difusão de solvente em emulsão são conhecidas por terem poros na faixa de mesoporos9. Esponjas de polímero à base de materiais como quitosana10, melamina11, celulose12 e polidimetilsiloxano13 foram quimicamente modificadas para dotá-las de propriedades adequadas para aplicações específicas.

Recentemente, tem havido esforços para sintetizar esponjas com poros pequenos usando uma abordagem de baixo para cima. Gui et ai. relataram esponjas monolíticas à base de nanotubos de carbono (CNT) usando um processo químico de deposição de vapor empregando ferroceno e 1,2-diclorobenzeno como precursor de catalisador e fonte de carbono, respectivamente14. Essas esponjas CNT tinham uma área de superfície de 300–400 m2g–1 e um tamanho médio de poro de cerca de 80 nm. Hashim et ai. sintetizaram esponjas CNT macroporosas (diâmetro do poro > 50 nm) por meio de uma estratégia de dopagem com boro durante a deposição química de vapor de tolueno usando ferroceno como precursor do catalisador. Átomos de boro em excesso foram encontrados nas junções "cotovelo" formando interconexões covalentes de nanotubos15.

A característica mais atraente das esponjas é a sua compressibilidade, que permite a fácil remoção dos absorventes por meio da aplicação de pressão. Enquanto as esponjas com poros grandes são usadas principalmente para remover líquidos por absorção, as esponjas com microporos terão uma gama mais ampla de aplicações, como armazenamento molecular, separação e catálise. De acordo com a notação IUPAC16,17, a microporosidade refere-se à porosidade com poros com diâmetro <2 nm. Zeólitas, carvões ativados e estruturas metal-orgânicas (MOFs) são materiais microporosos típicos, mas não são compressíveis. Recentemente, os polímeros orgânicos microporosos (MOPs) têm sido estudados extensivamente devido à sua funcionalidade versátil e estabilidade mecânica. A maioria dos MOPs são geralmente preparados usando uma polimerização passo a passo de blocos de construção multifuncionais tri ou superiores e são obtidos como partículas precipitadas por causa de suas estruturas reticuladas. Embora géis macroscópicos18,19 ou polímeros monolíticos20,21,22 sejam às vezes formados, eles são facilmente quebrados em pedaços após a secagem. Até onde sabemos, polímeros microporosos compressíveis ainda não foram relatados.