La ciencia de los polímeros ha hecho posible neumáticos de goma, teflón y kevlar, botellas de agua de plástico, chaquetas de nailon, entre muchas otras características omnipresentes de la vida diaria. Los polímeros elásticos, conocidos como elastómeros, se pueden estirar y liberar repetidamente y se utilizan en aplicaciones como guantes.y válvulas cardíacas, donde necesitan durar mucho tiempo sin romperse. Pero un enigma ha dejado perplejos a los científicos de polímeros: los polímeros elásticos pueden ser rígidos, o pueden ser duros, pero no pueden ser ambas cosas.
Este conflicto rigidez-tenacidad es un desafío para los científicos que desarrollan polímeros que podrían usarse en aplicaciones que incluyen regeneración de tejidos, bioadhesivos, bioimpresión, electrónica portátil y robots blandos.
En un artículo publicado hoy en Science, investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas SEAS de Harvard John A. Paulson han resuelto ese conflicto de larga data y han desarrollado un elastómero que es rígido y resistente.
"Además de desarrollar polímeros para aplicaciones emergentes, los científicos se enfrentan a un desafío urgente: la contaminación plástica", dijo Zhigang Suo, profesor de Mecánica y Materiales de Allen E. y Marilyn M. Puckett, autor principal del estudio ".El desarrollo de polímeros biodegradables una vez más nos ha devuelto a preguntas fundamentales: ¿por qué algunos polímeros son duros, pero otros frágiles? ¿Cómo hacemos que los polímeros resistan el desgarro con el estiramiento repetido? ".
Las cadenas de polímero se forman uniendo los bloques de construcción de monómero. Para hacer que un material sea elástico, las cadenas de polímero se reticulan mediante enlaces covalentes. Cuantos más reticulaciones, más cortas son las cadenas de polímero y más rígido es el material.
"A medida que sus cadenas de polímero se acortan, la energía que puede almacenar en el material se reduce y el material se vuelve quebradizo", dijo Junsoo Kim, estudiante de posgrado en SEAS y coautor del artículo. "Si solo tienealgunos enlaces cruzados, las cadenas son más largas y el material es resistente, pero es demasiado blando para ser útil ".
Para desarrollar un polímero que sea rígido y resistente, los investigadores buscaron enlaces físicos, en lugar de químicos, para unir las cadenas del polímero. Estos enlaces físicos, llamados entrelazamientos, se conocen en el campo desde hace casi tanto tiempo como la ciencia de los polímeros.existían, pero se ha pensado que solo afectan la rigidez, no la tenacidad.
Pero el equipo de investigación de SEAS descubrió que con suficientes entrelazamientos, un polímero podría volverse duro sin comprometer la rigidez. Para crear polímeros altamente entrelazados, los investigadores utilizaron una solución precursora de monómero concentrada con 10 veces menos agua que otras recetas de polímeros.
"Al agrupar todos los monómeros en esta solución con menos agua y luego polimerizarla, los obligamos a enredarse, como hilos enredados de hilo", dijo Guogao Zhang, becario postdoctoral en SEAS y coautor principal del artículo."Al igual que con las telas de punto, los polímeros mantienen su conexión entre sí al estar físicamente entrelazados".
Con cientos de estos entrelazamientos, solo se requieren un puñado de enlaces cruzados químicos para mantener estable el polímero.
"Como elastómeros, estos polímeros tienen alta tenacidad, fuerza y resistencia a la fatiga", dijo Meixuanzi Shi, investigador visitante de SEAS y coautor del artículo. "Cuando los polímeros se sumergen en agua para convertirse en hidrogeles, tienenbaja fricción y alta resistencia al desgaste. "
Esa alta resistencia a la fatiga y la alta resistencia al desgaste aumentan la durabilidad y la vida útil de los polímeros.
"Nuestra investigación muestra que al utilizar entrelazamientos en lugar de enlaces cruzados, podríamos disminuir el consumo de algunos plásticos al aumentar la durabilidad de los materiales", dijo Zhang.
"Esperamos que esta nueva comprensión de la estructura del polímero amplíe las oportunidades de aplicaciones y allane el camino para materiales poliméricos más sostenibles y duraderos con estas propiedades mecánicas excepcionales", dijo Kim.
La Oficina de Desarrollo Tecnológico de Harvard ha protegido la propiedad intelectual asociada con este proyecto y está explorando oportunidades de comercialización.
Esta investigación fue financiada en parte por Harvard MRSEC con el número de subvención DMR-2011754
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard . Original escrito por Leah Burrows. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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