En el mundo de los materiales, la rigidez y la elasticidad suelen encontrarse en extremos opuestos del continuo. Típicamente, cuanto más elástico es un material, menos capaz es de soportar cargas y resistir fuerzas. Cuanto más rígido es, cuanto más propenso es a romperse con tensiones menores cuando la carga o fuerza excede su capacidad. El objetivo de muchos científicos de materiales es crear un material que reúna lo mejor de ambos mundos.

En UC Santa Barbara, los científicos se han acercado un paso más a ese objetivo. En un estudio publicado recientemente, autores Kayetan Chorazewicz, Sameer Sundrani y Kollbe Ahn describen un mecanismo mediante el cual un material puede hacerse muy extensible sin sacrificar su resistencia y rigidez. El papel, "Gradientes funcionales bioinspirados para aumentar la tenacidad en sistemas de polímeros sintéticos, "aparece en el diario Química y Física Macromolecular .

Por inspiración, los investigadores no miraron más allá de la playa.

"Puedes ver tanto rigidez como extensibilidad con hilos de byssus de mejillones, "dijo el coautor principal Chorazewicz. Los mejillones pasan sus vidas en la zona rocosa intermareal, donde su capacidad para mantenerse firme es una cuestión de vida o muerte. Los hilos que exudan sobre las rocas deben ser lo suficientemente elásticos para permitirles encontrar el "agarre" apropiado en superficies irregulares y absorber el constante golpeteo de las olas. pero lo suficientemente rígido para evitar que los mejillones reboten en las corrientes y golpeen las estructuras a las que están sujetos. La combinación óptima de las dos cualidades es uno de los secretos de su éxito en un entorno tan variable e inhóspito.

Siguiendo el ejemplo de los moluscos, Los investigadores diseñaron un material clasificado funcionalmente, una clase relativamente nueva de materiales que aprovecha las diferencias en sus composiciones, para crear una versión sintética de los hilos de byssus de los mejillones que no solo minimiza el equilibrio entre flexibilidad y resistencia, pero también se puede utilizar en ambientes húmedos.

La clave de esta tecnología es una combinación reticulada del monómero acrilato de bencilo (BZA) con dimetacrilato de trietilenglicol (TEGDMA), un polímero común utilizado en rellenos de restauración dental. Reticulación, según los investigadores, en lugar de crear un "sándwich" de capas individuales de BZA o TEGDMA, dota al material resultante con habilidades que ninguno de ellos por sí solo tendría:la capacidad de resistir la tensión en un amplio rango de temperaturas, y la capacidad de soportar cargas. La combinación de copolímeros se puede ajustar adicionalmente de manera que sus capas tengan diferentes niveles de elasticidad de la misma manera que los hilos de byssus exhiben un gradiente de elasticidad que cambia desde su núcleo de fibra de colágeno suave hasta su cutícula exterior dura. De este modo, Las tensiones sobre el material pueden absorberse eficazmente o resistirse directamente.

"También puede evitar que las fracturas se propaguen por todo el material, ", dijo el coautor principal, Sundrani. Si hubiera un estrés excesivo, la energía de deformación sería redirigida y confinada y parte del material podría sacrificarse en una "delaminación beneficiosa" que evitaría el fallo de toda la estructura.

Esta tecnología tiene una amplia gama de aplicaciones.

"Estos días, cada vez más materiales están siendo reemplazados por polímeros de ingeniería, "dijo el senior del periódico, autor correspondiente Ahn, quien ha trabajado extensamente con polímeros biomiméticos inspirados en el mejillón. "Podemos imaginar cualquier material a base de polímeros que requiera soporte de carga, "añadió, incluyendo plásticos más duros, equipo de protección como cascos, piezas de construcción y aviones más duraderos, componentes de vehículos y embarcaciones.

Adicionalmente, los campos de la medicina, bioingeniería, La bioelectrónica e incluso la robótica blanda podrían beneficiarse de estos materiales de clasificación funcional, que podría usarse para hacer prótesis, articulaciones y órganos artificiales, o máquinas y actuadores blandos.

"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 una amplia variedad de estas funciones en lugar de un nicho específico, y dado que estos materiales se pueden ajustar, pueden ser tan duros o blandos como 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 UCSB, un programa de sesiones de verano que combina a estudiantes de tercer y cuarto año de secundaria con altos logros con investigadores universitarios para realizar investigaciones originales. 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 continua tutoría y orientación proporcionada por Ahn más allá de sus seis semanas con RMP, los autores jóvenes de este artículo pudieron realizar investigaciones, escribir su artículo y publicarlo en una revista científica revisada por pares incluso antes de comenzar sus carreras universitarias. Chorazewicz y Sundrani dan crédito a Ahn por su nivel de participación en sus incipientes y prometedoras carreras de ciencia e ingeniería. mientras que Ahn reconoce la dedicación de sus antiguos alumnos de RMP.