Una amplia gama de materiales a base de polímeros, desde goma de neumáticos y neopreno de neopreno hasta ropa de licra y silicona, son elastómeros valorados por su capacidad de flexionarse y estirarse sin romperse y volver a su forma original.

Hacer tales materiales más fuertes generalmente significa hacerlos más frágiles. Eso es porque, estructuralmente Los elastómeros son redes bastante informes de hebras de polímero, a menudo comparadas con un paquete de espaguetis desorganizados, que se mantienen unidas por unos pocos enlaces cruzados químicos. El fortalecimiento de un polímero requiere aumentar la densidad de enlaces cruzados entre las hebras creando más enlaces. Esto hace que las hebras del elastómero resistan estirarse entre sí, dando al material una estructura más organizada pero también haciéndolo más rígido y más propenso a fallar.

Inspirado por los duros, hilos de bisal polimérico flexible que los mejillones marinos utilizan para fijarse a las superficies en la accidentada zona intermareal, un equipo de investigadores afiliado al Laboratorio de Investigación de Materiales (MRL) de la UC Santa Bárbara ha desarrollado un método para superar el compromiso inherente entre resistencia y flexibilidad en los polímeros elastoméricos. Los hallazgos del grupo aparecen en la revista. Ciencias .

"En la última decada, Hemos logrado tremendos avances en la comprensión de cómo los materiales biológicos mantienen la resistencia bajo carga, "dijo la autora correspondiente Megan Valentine, profesor asociado en el Departamento de Ingeniería Mecánica de UCSB. "En este papel, Demostramos nuestra capacidad para utilizar ese conocimiento 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 por la química de la cutícula del mejillón se han limitado a mojado, sistemas blandos como hidrogeles. Por el contrario, Los investigadores de UCSB incorporaron los enlaces de coordinación de hierro inspirados en el mejillón en un sistema polimérico seco. Esto es importante porque tal polímero seco podría potencialmente 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 menor que una red seca construida de manera similar, "explicó la coautora principal, Emmanouela Filippidi, investigador postdoctoral en el Valentine Lab de la UCSB. "Ese es un resultado interesante, pero uno esperado. Lo 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 rígido y 100 veces más resistente en presencia de estos enlaces reconfigurables hierro-catecol. Eso fue inesperado."

Para lograr redes que tengan una arquitectura y un rendimiento similares a los de la cutícula de bisal del mejillón, el equipo sintetizó un amorfo, red epoxi débilmente reticulada y luego se trató con hierro para formar reticulaciones dinámicas hierro-catecol. En ausencia de hierro, cuando uno de los enlaces cruzados covalentes se rompe, está roto para siempre, porque no existe ningún mecanismo de autocuración. Pero cuando los enlaces de coordinación hierro-catecol reversibles están presentes, Cualquiera de esos enlaces cruzados rotos que contienen hierro puede reformarse, no necesariamente en el mismo lugar pero cerca, manteniendo así la elasticidad 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 se extiende la red de hierro-catecol, no almacena la energía, así que cuando se libera la tensión, el material no rebota como una goma elástica pero, bastante, disipa la energía. Luego, el material se recupera lentamente para recuperar 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 revestimientos, "dijo el coautor principal Thomas Cristiani, estudiante de posgrado de UCSB en el Grupo Israelachvili. "Sería una excelente funda para teléfono celular porque absorbería una gran cantidad de energía, por lo que es menos probable que el teléfono se rompa al impactar contra el piso y estará protegido ".

El sistema seco que utilizaron 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, las hebras amorfas parecidas a espaguetis son inicialmente muy compactas, 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 lazos se pueden romper, por lo que las cadenas de polímero no se bloquean en su lugar. Adicionalmente, eliminar el agua de la red da como resultado que el catecol y el hierro estén más juntos y puedan formar regiones de alta conectividad, que mejora las propiedades mecánicas.

"Esta diferencia entre la respuesta en sistemas secos y húmedos 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.