“O espaço é precioso dentro das naves espaciais”

“Em naves espaciais, o espaço é um bem escasso”, disse o Professor Assistente de Química Michael Yeung, cuja equipe liderou o trabalho. “Cada centímetro deve ser otimizado e tudo a bordo precisa ser o mais leve possível. Criar um combustível mais eficiente usando nosso novo composto significaria que seria necessário menos espaço para o armazenamento de combustível, liberando espaço para equipamentos, incluindo instrumentos usados para pesquisa. Na viagem de retorno, isso poderia significar mais espaço disponível para trazer amostras de volta para casa.”

Composto Inovador

O composto recém-sintetizado, diboreto de manganês (MnB₂), é mais de 20% mais energético por peso e cerca de 150% mais energético por volume em comparação com o alumínio atualmente utilizado em foguetes. Apesar de ser altamente energético, também é muito seguro e só entra em combustão quando encontra um agente de ignição como o querosene.

A estrutura à base de boro também é versátil; pesquisas relacionadas no laboratório de Yeung demonstraram seu potencial para ajudar a construir conversores catalíticos mais duráveis para carros e servir como um catalisador para a decomposição de plásticos.

É necessário calor para produzir calor

O diboreto de manganês pertence a uma classe de compostos químicos que se pensava ter propriedades incomuns, mas a exploração do que exatamente essas propriedades implicam foi limitada pela incapacidade de produzir o composto.

“Os diboretos começaram a chamar a atenção na década de 1960”, disse o estudante de doutorado da UAlbany, Joseph Doane, que trabalha com Yeung. “Desde essas primeiras análises, novas tecnologias estão nos permitindo sintetizar compostos químicos que antes só eram hipotetizados.”

“Sabendo o que sabemos sobre os elementos da tabela periódica, suspeitamos que o diboreto de manganês teria uma estrutura assimétrica e instável — fatores que juntos tornariam o composto altamente energético — mas até recentemente, não podíamos testá-lo porque não podia ser feito. Sintetizar com sucesso diboreto de manganês puro é uma conquista emocionante por si só. E agora, podemos testá-lo experimentalmente e descobrir novas formas de utilizá-lo.”

Produção sob alta temperatura

A síntese do diboreto de manganês requer calor extremo gerado usando uma ferramenta chamada “fervedor de arco”. O primeiro passo envolve pressionar pós de manganês e boro juntos em um pellet, que é colocado em uma pequena câmara de vidro reforçada. O fervedor de arco concentra uma corrente elétrica estreita no pellet, aquecendo-o a impressionantes 3.000°C (mais de 5.000°F). O material fundido é então resfriado rapidamente para fixar a estrutura no lugar. Em nível atômico, esse processo força um átomo central de manganês a se ligar a muitos outros átomos, resultando em uma estrutura excessivamente apinhada como uma mola espiral.

3…2…1… Deformação!

Quando se explora novos compostos químicos, a capacidade de produzir fisicamente o composto é crítica. Você também precisa ser capaz de definir sua estrutura molecular, para poder entender melhor por que ele se comporta da maneira que se comporta.

O estudante de doutorado da UAlbany, Gregory John, que trabalha com o químico computacional Alan Chen, construiu modelos computacionais para visualizar a estrutura molecular do diboreto de manganês. Esses modelos revelaram algo crítico: um leve desvio, conhecido como “deformação”, que confere ao composto sua alta energia potencial.

“Nosso modelo do composto diboreto de manganês se parece com a seção transversal de um sanduíche de sorvete, onde os biscoitos externos são feitos de uma estrutura de rede composta por hexágonos interligados”, disse John. “Quando você observa de perto, pode ver que os hexágonos não são perfeitamente simétricos; todos estão um pouco desviados. Isso é o que chamamos de ‘deformação’. Medindo o grau de deformação, podemos usar isso como um indicativo para determinar a quantidade de energia armazenada no material. Esse desvio é onde a energia está armazenada.”

Aqui está outra forma de imaginar isso.

“Imagine um trampolim plano; não há energia quando ele está plano”, disse Yeung. “Se eu colocar um peso gigante no centro do trampolim, ele vai esticar. Esse estiramento representa a energia armazenada pelo trampolim, que será liberada quando o objeto for removido. Quando nosso composto se inflama, é como remover o peso do trampolim e a energia é liberada.”

Novos Materiais Precisam de Novos Compostos

“Há um consenso entre os químicos de que compostos à base de boro devem ter propriedades incomuns que os fazem se comportar de maneira diferente de quaisquer outros compostos existentes”, disse o Professor Associado de Química Alan Chen. “Há uma busca contínua para descobrir quais são essas propriedades e comportamentos. Esse tipo de busca está no coração da química de materiais, onde criar materiais mais duros, mais fortes e mais extremos requer forjar novos produtos químicos. É isso que o laboratório de Yeung está fazendo — com descobertas que podem melhorar combustíveis de foguete, conversores catalíticos e até processos para reciclar plásticos.”

“Este estudo também é um excelente exemplo do processo científico, onde os pesquisadores buscam propriedades químicas interessantes mesmo quando não têm certeza sobre quais aplicações específicas possam surgir. Às vezes, como é o caso atual, os resultados são serendípicos.”

O interesse de Yeung por compostos à base de boro começou quando ele era aluno de pós-graduação na Universidade da Califórnia, Los Angeles. Seu projeto visava descobrir compostos mais duros que diamantes.

“Eu me lembro distintamente da primeira vez que fiz um composto relacionado ao diboreto de manganês”, disse Yeung. “Lá estava eu, segurando esse novo material que deveria ser superduro. Em vez disso, começou a esquentar e mudar para uma bonita cor laranja. Eu pensei: ‘Por que está laranja? Por que está brilhando? Não deveria estar brilhando!’ Foi aí que percebi quão energéticos podem ser os compostos de boro. Eu coloquei um ponto preso para explorar no futuro, e é exatamente isso que estamos fazendo agora.”