Uma receita mal lida e um filme metálico: como Hideki Shirakawa revelou os polímeros condutores

No outono de 1967, em um laboratório de química do Instituto de Tecnologia de Tóquio, um pesquisador visitante se preparava para polimerizar o gás acetileno utilizando um catalisador padrão de Ziegler-Natta. Tradicionalmente, a polimerização do acetileno gerava um pó preto e insolúvel, mas aquele experimento produziu uma substância totalmente diferente. O laboratório era supervisionado pelo pesquisador assistente Hideki Shirakawa, que investigava os mecanismos da reação de síntese do poliacetileno. Aquele ensaio transformou o que deveria ser uma verificação de rotina na origem de um novo ramo da química dos polímeros.

Dos rádios da infância ao Instituto de Tecnologia de Tóquio

Hideki Shirakawa nasceu em Tóquio em agosto de 1936 e cresceu em Takayama, no Japão. Ele ingressou no Instituto de Tecnologia de Tóquio em abril de 1957, concluindo seu doutorado em Engenharia em março de 1966. Em abril do mesmo ano, tornou-se pesquisador assistente no instituto, onde iniciou um estudo sistemático sobre a polimerização do poliacetileno utilizando sistemas de catalisadores de Ziegler-Natta.

O erro molar no recipiente de reação

O resultado inusitado do experimento do outono de 1967 decorreu de um erro simples de unidades. Um cientista visitante introduziu um excesso mil vezes maior de catalisador no recipiente de reação ao confundir milimoles com moles nas instruções experimentais. Segundo os registros biográficos do Prêmio Nobel, essa concentração extraordinária acelerou a velocidade de polimerização em cerca de mil vezes. Como o gás acetileno polimerizou de forma quase instantânea ao entrar em contato com a superfície do líquido, ele formou uma camada contínua em vez de se precipitar como pó. Quando Shirakawa examinou o material em um microscópio eletrônico, observou um filme prateado e flexível, composto por microfibras de poliacetileno densamente entrelaçadas e mantidas unidas pela solubilidade única daquela solução catalítica específica.

Dez milhões de vezes mais condutivo

A aparência metálica e reluzente da fina película criada por Shirakawa atraiu a atenção do químico americano Alan MacDiarmid, que visitava o laboratório. Em setembro de 1976, Shirakawa mudou-se para a Universidade da Pensilvânia para colaborar com MacDiarmid e com o físico Alan Heeger. Em 23 de novembro de 1976, Shirakawa e o pós-doutorando C.K. Chiang montaram um aparato de quatro pontas para medir as propriedades elétricas do filme enquanto introduziam dopantes químicos. Quando adicionaram vapor de bromo ao filme de poliacetileno, o dopante removeu elétrons da estrutura do polímero. A condutividade elétrica do filme saltou dez milhões de vezes quase instantaneamente, um aumento tão dramático que ultrapassou os limites de medição dos eletrômetros do laboratório.

Estruturando as microfibras

Shirakawa retornou ao Japão e transferiu-se para a Universidade de Tsukuba em novembro de 1979 como professor associado, tornando-se mais tarde professor titular. Para superar a desordem estrutural tridimensional dos primeiros filmes de poliacetileno, Shirakawa desenvolveu uma técnica para sintetizar filmes de poliacetileno orientados uniaxialmente usando solventes de cristal líquido. Ao orientar a solução catalítica em um meio de cristal líquido sob a ação de um campo magnético ou condições de fluxo, ele conseguiu alinhar as cadeias poliméricas de forma paralela entre si. Fundamentado na descoberta acidental do filme em 1967 e nas medições decisivas de condutividade em 1976, esse trabalho rendeu a Shirakawa, MacDiarmid e Heeger o Prêmio Nobel de Química no ano 2000, estabelecendo os princípios fundamentais dos polímeros metálicos sintéticos.

Ilustração editorial gerada por IA; não é uma fotografia documental.

Fonte: Nobel Prize Hideki Shirakawa