Um avanço significativo na engenharia de materiais pode redefinir os limites dos aerogéis — estruturas ultraleves conhecidas por sua porosidade extrema e aplicações que vão de isolamento térmico a dispositivos ópticos. Em estudo publicado nesta terça-feira (17), na revista Nature Communications, a equipe liderada por Yuxiang Du, Yueyue Xiu e Huazheng Sai, da Inner Mongolia University of Science & Technology, descreve a criação de aerogéis baseados em nanofios com menos de 1 nanômetro de diâmetro, alcançando níveis inéditos de controle estrutural e desempenho .

A inovação reside no uso de nanofios subnanométricos (SNWs), estruturas cuja espessura se aproxima da escala de uma única célula cristalina. Diferentemente de nanofios convencionais, esses materiais exibem propriedades análogas a polímeros, como flexibilidade elevada e alta energia superficial. “Essas características tornam os SNWs blocos de construção ideais para arquiteturas tridimensionais altamente porosas”, escrevem os autores .

O principal desafio enfrentado pela equipe foi controlar a agregação desses nanofios em três dimensões. Em abordagens anteriores, como o freeze-casting, a formação de cristais de gelo induzia agregações desordenadas, resultando em aerogéis com área superficial limitada — cerca de 20 m2/g. No novo estudo, os pesquisadores introduzem uma estratégia baseada em modulação química de ligantes na superfície dos nanofios de hidróxido de gadolínio (GdOOH).

Ao substituir moléculas de ácido oleico por ligantes contendo grupos hidroxila, como o ácido 15-hidroxipentanoico, os cientistas conseguiram ajustar as interações entre os nanofios e o solvente. Esse controle permitiu a formação de géis estáveis em solventes polares, posteriormente convertidos em aerogéis por secagem supercrítica.

“Demonstramos que a regulação de ligantes é essencial para controlar o estado de agregação e evitar o colapso estrutural durante o processamento”, afirmam os autores .

O material resultante apresenta uma combinação notável de propriedades físicas. A densidade atinge apenas 0,024 g/cm3, enquanto a área superficial específica chega a 505 m2/g — mais de 25 vezes superior à de aerogéis obtidos por métodos convencionais com os mesmos nanofios .

Além disso, os aerogéis exibem:

Alta transparência óptica, permitindo a passagem de luz visível;

Resiliência mecânica, com recuperação elástica após compressões repetidas;

Resistência à fadiga, suportando pelo menos 50 ciclos com deformação de 50% após modificação química .

Após um processo de silanização — no qual uma camada de compostos de silício é depositada sobre a estrutura — o material se torna superhidrofóbico, com ângulo de contato de 154°, além de apresentar aumento de até dez vezes na resistência mecânica .

Simulações de dinâmica molecular revelaram que a formação do gel tridimensional é mediada por interações eletrostáticas entre os nanofios e moléculas de ácido cítrico ionizado. Essas interações reduzem a energia do sistema e promovem a auto-organização em redes interconectadas.

“Observamos que tanto forças eletrostáticas quanto interações de van der Waals são cruciais para estabilizar a estrutura final”, destacam os pesquisadores.

A versatilidade da abordagem foi demonstrada com outros elementos de terras raras, como térbio (Tb), európio (Eu) e neodímio (Nd). Em particular, aerogéis dopados com Tb exibiram intensa luminescência verde sob radiação ultravioleta, com emissão distribuída por todo o volume do material — um avanço em relação a estruturas anteriores, onde a emissão era superficial .

Essa propriedade abre caminho para aplicações em: dispositivos optoeletrônicos, sensores fotônicos e sistemas de iluminação avançada.

Além disso, a combinação de baixa densidade, alta área superficial e resistência mecânica torna esses aerogéis candidatos promissores para isolamento térmico, catalisadores e armazenamento de energia.

Desde que a IUPAC classificou os aerogéis como uma das tecnologias emergentes mais promissoras em 2022, a busca por melhorias estruturais tem sido intensa. Este estudo representa um salto qualitativo ao introduzir blocos de construção subnanométricos com controle fino de montagem.

“Nosso trabalho não apenas amplia o repertório de materiais disponíveis, mas também estabelece uma nova estratégia para transformar nanofios em estruturas macroscópicas funcionais”, concluem os autores .

Combinando química de superfície, engenharia de materiais e simulação computacional, a pesquisa inaugura uma nova geração de aerogéis — mais leves, mais fortes e mais versáteis —, aproximando aplicações práticas de uma tecnologia que, até pouco tempo, parecia restrita ao laboratório.