El estudiante graduado de la Universidad de Rice, Hao Mei, sostiene un plato con un patrón de polímeros de cepillo de botella que deletrea "RICE". Los polímeros microscópicos podrían dar a la industria un control exquisito sobre las propiedades de los recubrimientos superficiales. Crédito:Jeff Fitlow / Rice University
Un polímero microscópico en forma de un implemento de cocina común podría brindar a la industria un control exquisito sobre los recubrimientos.
Los copolímeros Bottlebrush han sido durante mucho tiempo un tema de estudio para Rafael Verduzco, ingeniero químico y biomolecular en la Escuela de Ingeniería Brown de la Universidad de Rice. Ahora, él y sus colaboradores han desarrollado modelos y métodos para refinar los recubrimientos superficiales para hacerlos, por ejemplo, más impermeable o más conductivo.
Los investigadores descubrieron que los cepillos para botellas mezclados con polímeros lineales tienden a migrar hacia la parte superior e inferior de una película delgada a medida que se seca. Estas películas, como revestimientos, son omnipresentes en los productos, por ejemplo, como capas impermeables para evitar que los metales se oxiden o que las telas se manchen.
Cuando ocurre la migración, los polímeros lineales sostienen el centro mientras que los cepillos de botellas se dibujan hacia el aire por encima o hacia el sustrato por debajo. Esta, Verduzco dijo:desacopla eficazmente las propiedades del revestimiento a granel de sus superficies expuestas.
Los modelos y experimentos computacionales mostraron que las variaciones en el propio cepillo de botella podrían usarse para controlar las características de la superficie.
Los polímeros de cepillo de botella siguen siendo difíciles de fabricar a granel, Verduzco dijo:pero sus usos potenciales son vastos. Las aplicaciones podrían incluir la administración de fármacos a través de cepillos de botellas funcionalizados que forman micelas, lubricantes elastómeros blandos, filtros antiincrustantes y superficies que se curan a sí mismas, él dijo.
Un recubrimiento hidrofóbico de polímeros de cepillo de botella creado por ingenieros de la Universidad de Rice resiste una gota de agua. Los cepillos para botellas microscópicas se pueden configurar para dar a los recubrimientos propiedades específicas para muchas aplicaciones. Crédito:Jeff Fitlow / Rice University
Los detalles aparecen en la revista American Chemical Society. Macromoléculas .
El laboratorio de Rice, con la ayuda de compañeros de la Universidad de Tennessee, Knoxville; Laboratorio Nacional Oak Ridge y la Universidad de Houston, caracterizó varios cepillos para botellas hechos de poliestireno y poli (metacrilato de metilo) (también conocido como PMMA) mientras estudiaba las causas de la migración de los polímeros.
Parecido a sus primos macro de cocina (así como a ciertas flores), Los cepillos para botellas consisten en pequeñas cadenas de polímero que irradian hacia afuera desde una barra de polímero lineal. Los cepillos para botellas se autoensamblan en una solución, que pueden manipularse para ajustar sus propiedades.
Los recubrimientos son omnipresentes, Dijo Verduzco. "Si no tuviéramos los revestimientos adecuados, nuestros materiales se degradarían rápidamente, ", dijo." Ellos reaccionarían de maneras que no queremos que lo hagan. Por lo tanto, recubrir una superficie suele ser un proceso separado; haces algo y luego tienes que encontrar la manera de depositar una capa encima.
"Lo que estamos viendo es una especie de aditivo universal, una molécula que puede mezclar con lo que sea que esté haciendo que irá espontáneamente a la superficie o la interfaz, ", dijo." Así es como terminamos usando cepillos para botellas ".
Rafael Verduzco, izquierda, ingeniero químico y biomolecular en la Universidad de Rice, y el estudiante de posgrado Hao Mei dirigieron un estudio que muestra que los polímeros microscópicos de los cepillos de botellas se dibujan en la parte superior e inferior de un recubrimiento aplicado a una superficie. El descubrimiento podría conducir a una forma de personalizar las propiedades de los recubrimientos para aplicaciones específicas. Crédito:Jeff Fitlow / Rice University
Los cepillos para botellas se pueden ajustar variando el número de cadenas laterales, su longitud o la longitud del polímero de la cadena principal, Dijo Verduzco. Las propias cadenas laterales pueden ser de tipo mixto, y se pueden añadir pequeñas moléculas o proteínas a sus grupos terminales.
"La química de estos materiales está lo suficientemente avanzada como para que pueda colocar prácticamente cualquier tipo de polímero como una de estas cerdas en la cadena lateral, ", dijo." Puedes ponerlos en un orden diferente ".
Los investigadores encontraron que la termodinámica entrópica y entálpica alejaba casi por completo los cepillos de botellas del interior de las películas y los dirigía hacia las interfaces a medida que se secaban. Incluso cuando los polímeros lineales se diseñaron para emparejarse con la interfaz de la superficie, los cepillos de las botellas todavía se elevaban hasta la superficie expuesta.
Verduzco señaló que los hallazgos fueron posibles gracias al espectrómetro de masas de iones secundarios de vuelo adquirido por Rice en 2018 a través de una subvención de la National Science Foundation. El espectrómetro permitió a los investigadores caracterizar no solo la superficie de los recubrimientos bombardeándolos con iones, pero también cómo cambiaron los recubrimientos a medida que se eliminaron capas microscópicas de arriba hacia abajo.
