Una amplia gama de materiales a base de polímeros, desde goma de neumático y neopreno de traje de neopreno hasta ropa de lycra y silicona, son elastómeros valorados por su capacidad para flexionarse y estirarse sin romperse y volver a su forma original.
Hacer que estos materiales sean más fuertes generalmente significa hacerlos más frágiles. Esto se debe a que, estructuralmente, los elastómeros son redes de filamentos de polímeros bastante sin forma, a menudo en comparación con un paquete de fideos de espagueti desorganizados, unidos por unos pocos enlaces cruzados químicos.un polímero requiere aumentar la densidad de los enlaces cruzados entre los hilos creando más enlaces, lo que hace que los hilos del elastómero resistan el estiramiento entre sí, dando al material una estructura más organizada pero también haciéndolo más rígido y más propenso a fallas.
un equipo de investigadores afiliados al Laboratorio de Investigación de Materiales de la UC Santa Bárbara LMR de UC Santa Barbara ha desarrollado un método para superar el comercio inherente, inspirado en los hilos de bisal poliméricos resistentes y flexibles que usan los mejillones marinos para asegurarse a las superficies en la zona intermareal accidentadaentre la resistencia y la flexibilidad en polímeros elastoméricos. Los hallazgos del grupo aparecen en la revista ciencia .
"En la última década, hemos realizado enormes avances en la comprensión de cómo los materiales biológicos mantienen la resistencia bajo carga", dijo la autora correspondiente Megan Valentine, profesora asociada en el Departamento de Ingeniería Mecánica de la UCSB. "En este documento, demostramos nuestra capacidad parautilice esa comprensión para desarrollar materiales útiles hechos por el hombre. Este trabajo abre emocionantes vías de descubrimiento para muchas aplicaciones comerciales e industriales ".
Los esfuerzos anteriores también inspirados en la química de la cutícula del mejillón se han limitado a sistemas húmedos y blandos como los hidrogeles. Por el contrario, los investigadores de UCSB incorporaron los enlaces de coordinación de hierro inspirados en el mejillón en un sistema polimérico seco.el polímero podría ser sustituido por materiales rígidos pero quebradizos, especialmente en aplicaciones relacionadas con impactos y torsiones.
"Descubrimos que la red húmeda era 25 veces menos rígida y se rompió con un alargamiento cinco veces más corto que una red seca construida de manera similar", explicó la coautora principal, Emmanouela Filippidi, investigadora postdoctoral en el Laboratorio Valentine en UCSB. "resultado interesante, pero esperado. Lo que es realmente sorprendente es lo que sucedió cuando comparamos la red seca antes y después de agregar hierro. No solo mantuvo su elasticidad sino que también se volvió 800 veces más rígida y 100 veces más resistente en presencia de estos reconfigurables.enlaces de hierro-catecol. Eso fue inesperado "
Para lograr redes que tengan una arquitectura y un rendimiento similares a los de la cutícula de mejillón byssal, el equipo sintetizó una red epóxica amorfa, débilmente entrecruzada y luego la trató con hierro para formar enlaces dinámicos de hierro-catecol.hierro, cuando se rompe uno de los enlaces cruzados covalentes, se rompe para siempre, porque no existe un mecanismo de autocuración, pero cuando están presentes los enlaces de coordinación reversibles de hierro-catecol, cualquiera de esos enlaces cruzados rotos que contienen hierro puede reformarse, no necesariamente en el mismo lugar, sino cerca, manteniendo así la resistencia del material incluso a medida que aumenta su resistencia. El material es más rígido y resistente que las redes similares que carecen de enlaces de coordinación que contienen hierro.
A medida que la red de hierro-catecol se estira, no almacena la energía, por lo que cuando se libera la tensión, el material no se recupera como una banda de goma, sino que disipa la energía. El material luego se recupera lentamentepara reasumir su forma original, de la misma manera que lo hace un material viscoelástico como la espuma viscoelástica después de que se libera la presión.
"Un material que tiene esa característica, llamado 'plástico disipador de energía', es útil para recubrimientos", dijo el coautor principal Thomas Cristiani, un estudiante graduado de la UCSB en el Grupo Israelachvili. "Sería una excelente funda para teléfono celular porqueabsorbería una gran cantidad de energía, por lo que es menos probable que el teléfono se rompa al impactar con el piso y esté protegido ".
El sistema seco que usaron los investigadores es importante por dos razones. En un sistema húmedo, la red absorbe agua, haciendo que las cadenas de polímero se estiren, por lo que no queda mucha flexibilidad adicional. Pero con un material seco, el espaguetis amorfolos filamentos similares son inicialmente muy compactos, con mucho espacio para estirarse. Cuando se agregan los enlaces cruzados de hierro para fortalecer el polímero, la elasticidad del material seco no se ve comprometida, porque esos enlaces pueden romperse, por lo que las cadenas del polímero no se ven afectadas.bloqueado en su lugar. Además, al eliminar el agua de la red, el catecol y el hierro están más juntos y pueden formar regiones de alta conectividad, lo que mejora las propiedades mecánicas.
"Esta diferencia entre la respuesta en sistemas húmedos y secos es enorme y hace que nuestro enfoque cambie las reglas del juego en términos de sintetizar materiales de ingeniería útiles para aplicaciones de alto impacto", dijo Valentine.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - Santa Bárbara . Original escrito por Julie Cohen. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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