En el mundo de los materiales, la rigidez y la elasticidad suelen estar en los extremos opuestos del continuo. Por lo general, cuanto más elástico es un material, menos capaz es de soportar cargas y resistir fuerzas. Cuanto más rígido es, más propenso eses romperse en tensiones más bajas cuando la carga o la fuerza excede su capacidad. Un objetivo para muchos científicos de materiales es crear un material que reúna lo mejor de ambos mundos.
En la Universidad de California en Santa Bárbara, los científicos se han acercado a ese objetivo. En un estudio publicado recientemente, los autores Kayetan Chorazewicz, Sameer Sundrani y Kollbe Ahn describen un mecanismo por el cual un material puede ser altamente extensible sin sacrificar su resistencia y rigidezEl artículo, "Gradientes funcionales bioinspirados para el aumento de la dureza en sistemas de polímeros sintéticos", aparece en la revista Química y física macromolecular .
En busca de inspiración, los investigadores no buscaron más allá de la playa.
"Se pueden ver tanto la rigidez como la extensibilidad con los hilos byssus de los mejillones", dijo el coautor principal Chorazewicz. Los mejillones pasan sus vidas en la zona intermareal rocosa, donde su capacidad de mantenerse firme es una cuestión de vida o muerte.que exudan sobre las rocas deben ser lo suficientemente elásticas como para permitirles encontrar el "agarre" apropiado en superficies irregulares y absorber el golpeteo constante de las olas, pero lo suficientemente rígido para evitar que los mejillones reboten en las corrientes y golpeen contra las estructurasa los que están adheridos. La combinación óptima de las dos cualidades se encuentra entre los secretos de su éxito en un entorno tan variable e inhóspito.
Siguiendo el ejemplo de los moluscos, los investigadores diseñaron un material funcionalmente calificado, una clase relativamente nueva de materiales que aprovecha las diferencias en sus composiciones, para crear una versión sintética de los hilos byssus de los mejillones que no solo minimiza elcompensación entre flexibilidad y resistencia, pero también se puede usar en ambientes húmedos.
La clave de esta tecnología es una combinación reticulada del monómero de acrilato de bencilo BZA con dimetacrilato de trietilenglicol TEGDMA, un polímero común utilizado en rellenos de restauración dental. La reticulación, según los investigadores, en lugar de crear un "sandwich "de capas individuales de BZA o TEGDMA, dota al material resultante con habilidades que ninguno de los dos tendría por sí solo: la capacidad de soportar la tensión en un amplio rango de temperaturas, y la capacidad de soportar cargas. La combinación de copolímeros puede ajustarse aún másde modo que sus capas tendrían niveles variables de elasticidad de la misma manera que los hilos de byssus exhiben un gradiente de elasticidad que cambia de su núcleo de fibra de colágeno suave a su cutícula exterior dura. De esta manera, las tensiones en el material pueden ser absorbidas efectivamente oresistido por completo
"También puede evitar que las fracturas se propaguen por todo el material", dijo el coautor Sundrani. Si hubiera un estrés excesivo, la energía de deformación se redirigiría y limitaría y parte del material podría sacrificarse en una "delaminación beneficiosa""eso evitaría el fracaso de toda la estructura.
Esta tecnología tiene una amplia gama de aplicaciones.
"En estos días, más y más materiales están siendo reemplazados por polímeros de ingeniería", dijo el autor principal y corresponsal del periódico, Ahn, quien ha trabajado extensamente con polímeros biomiméticos inspirados en mejillones. "Podemos imaginar cualquier material a base de polímero que requiera carga".", agregó, incluidos plásticos más resistentes, equipo de protección como cascos, piezas de construcción y componentes más duraderos de aeronaves, vehículos y motos de agua.
Además, los campos de la medicina, la bioingeniería, la bioelectrónica e incluso la robótica blanda podrían beneficiarse de estos materiales graduados funcionalmente, que podrían usarse para fabricar prótesis, articulaciones y órganos artificiales, o actuadores y máquinas blandas.
"Otra aplicación muy práctica sería aplicar materiales graduados como el nuestro a recubrimientos sobre materiales ya existentes en lugar de reemplazarlos por completo, por ejemplo, plásticos rígidos o incluso implantes biomédicos", dijo Sundrani.
"Lo que sugieren nuestros materiales graduados funcionalmente", señaló Chorazewicz, "es una nueva clase de materiales para cumplir con una amplia variedad de estos roles en lugar de un nicho específico, y dado que estos materiales son ajustables, pueden ser tan duros o blandossegún sea necesario para su uso previsto "
Este documento es el resultado de una colaboración única inspirada en el Programa de Mentoría de Investigación RMP de la UCSB, un programa de sesión de verano que combina a jóvenes y estudiantes de secundaria de alto rendimiento con investigadores universitarios para realizar una investigación original. En el momento en que iniciaron esta investigación., tanto Chorazewicz como Sundrani eran estudiantes de último año de secundaria. Gracias a su impulso inusual y la tutoría continua y la orientación proporcionada por Ahn más allá de sus seis semanas con RMP, los autores junior de este documento pudieron realizar investigaciones, escribir su artículo y publicar en unRevista científica revisada por pares antes incluso de comenzar sus carreras universitarias. Chorazewicz y Sundrani le dan crédito a Ahn por su nivel de participación en sus nacientes y prometedoras carreras de ciencia e ingeniería, mientras que Ahn reconoce la dedicación de sus antiguos estudiantes de RMP.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - Santa Bárbara . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cite esta página :