El plastico, caucho, y muchos otros materiales útiles están hechos de polímeros, cadenas largas dispuestas en una red reticulada. A nivel molecular, estas redes de polímeros contienen fallas estructurales que las debilitan.

Muchos años atrás, Los investigadores del MIT fueron los primeros en medir ciertos tipos de estos defectos, llamado "bucles, "que se producen cuando una cadena en la red de polímeros se une a sí misma en lugar de a otra cadena. Ahora, Los mismos investigadores han encontrado una forma sencilla de reducir el número de bucles en una red de polímeros y, por lo tanto, fortalecer los materiales fabricados a partir de polímeros.

Lograr esto, los investigadores simplemente agregan uno de los componentes de la red polimérica muy lentamente a una gran cantidad del segundo componente. Usando este enfoque, pudieron reducir el número de bucles a la mitad, en una variedad de diferentes estructuras de redes de polímeros. Esto podría ofrecer una manera fácil para que los fabricantes de materiales de utilidad industrial, como plásticos o geles, fortalezcan sus materiales.

"Con solo cambiar la rapidez con la que agrega un componente al otro, puedes mejorar las propiedades mecánicas, "dice Jeremiah A. Johnson, el Profesor Asociado de Química Firmenich Career Development en el MIT y el autor principal del artículo.

Yuwei Gu, estudiante de posgrado del MIT, es el primer autor del artículo, que aparece en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias la semana del 24 de abril.

Otros autores son el profesor asociado de ingeniería química del MIT Bradley Olsen; El estudiante graduado del MIT Ken Kawamoto; los ex postdoctorados del MIT Mingjiang Zhong y Mao Chen; El profesor asistente de la Universidad Case Western Reserve, Michael Hore; Alex Jordan, estudiante de posgrado de Case Western Reserve; y la ex profesora visitante del MIT y profesora asociada de Case Western Reserve, LaShanda Korley.

Control de bucles

En 2012, El grupo de Johnson ideó la primera forma de medir el número de bucles en una red de polímeros y validó esos resultados con predicciones teóricas de Olsen. Los investigadores encontraron que los bucles pueden constituir entre el 9 y el 100 por ciento de la red, dependiendo de la concentración de cadenas de polímero en el material de partida y otros factores.

Unos años despues, Johnson y Olsen desarrollaron una forma de calcular cuánto debilitan estos bucles un material. En su último trabajo, se propusieron reducir la formación de bucles, y lograrlo sin cambiar la composición de los materiales.

"El objetivo que nos propusimos fue tomar el mismo conjunto de precursores para un material que uno usaría normalmente, y, utilizando exactamente los mismos precursores en las mismas condiciones y en la misma concentración, hacer un material con menos bucles, "Dice Johnson.

En este papel, Los investigadores se centraron primero en un tipo de estructura polimérica conocida como red polimérica en estrella. Este material tiene dos bloques de construcción diferentes:una estrella con cuatro brazos idénticos, conocido como "B4, "y una cadena conocida como" A2 ". Cada molécula de A2 se une al extremo de uno de los brazos de B4. Sin embargo, durante el proceso de síntesis típico, cuando todo se mezcla a la vez, algunas de las cadenas A2 terminan uniéndose a dos de los brazos B4, formando un bucle.

Los investigadores encontraron que si agregaban B4 muy lentamente a una solución de A2, cada uno de los brazos de B4 reaccionaría rápidamente con una sola molécula de A2, por lo que había menos oportunidades para que A2 formara bucles.

Después de unas horas de agregar lentamente la mitad de la solución B4, agregaron la segunda mitad de una vez, y las subunidades en forma de estrella se unieron para formar una red reticulada. Este material, los investigadores encontraron, tenía aproximadamente la mitad de bucles que el mismo material producido mediante el proceso de síntesis tradicional.

Dependiendo de la cantidad de bucles que haya en el material original, Esta estrategia de "lento luego rápido" puede mejorar la resistencia del material hasta en un 600 por ciento, Johnson dice.

Mejores productos

Los investigadores también probaron esta técnica con otros cuatro tipos de reacciones de síntesis de redes de polímeros. No pudieron medir la cantidad de bucles para todos esos tipos de polímeros, pero encontraron mejoras similares en la resistencia de los materiales.

Este enfoque podría ayudar potencialmente a mejorar la resistencia de cualquier material hecho de un gel u otro polímero reticulado. incluidos los plásticos, membranas para depuración de agua, adhesivos de epoxi, o hidrogeles como lentes de contacto.

El laboratorio de Johnson está trabajando ahora en aplicar esta estrategia a una variedad de materiales, incluidos los geles utilizados para cultivar células para la ingeniería de tejidos.