Impacto da anisotropia e confinamento de nanorreatores em reações químicas

• Processo: 24/04742-6
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Regular
• Data de Início da vigência: 01 de novembro de 2024
• Data de Término da vigência: 31 de outubro de 2028
• Área do conhecimento: Ciências Exatas e da Terra - Química - Físico-química
• Pesquisador responsável: Edvaldo Sabadini
• Beneficiário: Edvaldo Sabadini
• Pesquisador Responsável no exterior: Viviane Lütz Bueno
• Instituição Parceira no exterior: Paul Scherrer Institute (PSI), Suíça
• Instituição Sede: Instituto de Química (IQ). Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Campinas , SP, Brasil
• Assunto(s): Reologia Química coloidal
• Palavra(s)-Chave do Pesquisador: Espalhamento em baixos ângulos de raios X e nêutrons | Micelas gigantes reversas | Reações em meios aquosos confinados | Reologia | Química coloidal

Resumo

Reações químicas eficientes e rápidas são cruciais para a produção de medicamentos, cosméticos, fragrâncias e outros produtos químicos de alta qualidade, portanto, a determinação adequada do rendimento da reação é essencial para o controle de custos. Os nanoreatores podem hospedar reações químicas gerando condições físicas em nanoescala permitindo que processos difíceis ocorram com o mínimo gasto de energia, melhorando a eficiência. Embora as microemulsões tenham sido usadas como nanoreatores durante décadas, tem havido uma notável falta de pesquisa explorando como os nanoreatores anisotrópicos confinados podem influenciar a taxa, rendimento e seletividade das reações químicas em comparação com condições de nanoconfinamento isotrópico e em bulk. Esta falta de exploração pode estar impedindo nossa capacidade de encontrar reações ainda mais eficientes ou novos métodos de nanofabricação. Aqui, propomos uma rota empírica sistemática para testar tais condições. Como nanoreatores, selecionamos micelas gigantes reversas, que são sistemas ternários, compostos de solvente orgânico, moléculas anfifílicas e água. Sua estrutura, mantida termodinamicamente, permite um controle fino sobre o confinamento e a anisotropia, uma vez que a relação entre a água e as moléculas anfifílicas define sua forma, comprimento e diâmetro e, consequentemente, as dimensões de seus canais aquosos, onde podem ocorrer reações. Para quantificar a influência da anisotropia e do confinamento sobre as reações químicas, propomos monitorar a formação do produto e o rendimento das reações de precipitação, óxido-redução e foto polimerização. A seleção de sistemas de modelos bastante simples nos permitirá focar nos aspectos mecanistícos das reações e, assim, fornecer um conjunto de diretrizes empíricas para seu controle. Nosso objetivo é comparar estas reações em bulk, sob confinamento isotrópico no interior das micelas reversas esféricas e sob confinamento anisotrópico no interior das micelas gigantes reversas. Além disso, aplicaremos campos de fluxo laminar aos nanoreatores anisotrópicos, e simultaneamente sondaremos alterações no rendimento da reação e na qualidade do produto, o que pode acontecer devido ao alinhamento das micelas gigantes reversas sob fluxo. Os principais objetivos deste projeto são a medição precisa das dimensões do nanoreator e o rendimento de reação, assim como a caracterização dos produtos obtidos. Iremos quantificar esses parâmetros através de experimentos reológicos e de espalhamento in situ, enquanto monitoramos o processo de micelização e formação do produto no nanoreator em um chip microfluídico bem controlado. Ao combinar as vantagens dos raios X e dos nêutrons como fontes de radiação, forneceremos informações locais, quantitativas e dependentes do tempo sobre o desenvolvimento estrutural dos nanoreatores anisotrópicos confinados, e caracterizaremos os produtos de reação dentro deles, sem influências externas. Esta metodologia não exige a extração dos produtos dos nanoreatores e simplifica sua caracterização e medição de rendimento, sendo uma estratégia elegante para responder de forma direta a nossa pergunta de pesquisa. Sendo viável, as reações anisotrópicas sob confinamento pode gerar maior rendimento e serem mais rápidas, melhorando os processos industriais em larga escala e tendo aplicações diretas em nanotecnologia, biofísica, catálise e nanofabricação de sensores e microeletrônica. (AU)