El plano de la naturaleza para la extremidad humana es una estructura cuidadosamente estratificada con hueso rígido envuelto en capas de diferentes tejidos blandos, como músculo y piel, todos unidos entre sí a la perfección. Al lograr este tipo de sofisticación utilizando materiales sintéticos para construir piezas robóticas de inspiración biológica o multicomponente, máquinas complejas ha sido un desafío de ingeniería.

Al modificar la química de un solo polímero, Investigadores de la Universidad Texas A&M y el Laboratorio de Investigación del Ejército del Comando de Desarrollo de Capacidades de Combate del Ejército de los EE. UU. han creado una familia completa de materiales sintéticos que varían en textura desde ultra suaves hasta extremadamente rígidos. Los investigadores dijeron que sus materiales se pueden imprimir en 3-D, autocuración, reciclables y se adhieren naturalmente entre sí en el aire o bajo el agua.

Sus hallazgos se detallan en la edición de mayo de la revista. Materiales funcionales avanzados .

"Hemos creado un grupo interesante de materiales cuyas propiedades se pueden ajustar para obtener la suavidad del caucho o la resistencia de los plásticos de carga, "dijo la Dra. Svetlana Sukhishvili, profesor del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales y autor correspondiente del estudio. "Sus otras características deseables, como la capacidad de impresión en 3-D y la capacidad de autocurarse en segundos, hacerlos adecuados no solo para prótesis más realistas y robótica suave, pero también es ideal para amplias aplicaciones militares, como plataformas ágiles para vehículos aéreos y alas de aviones futuristas con autocuración ".

Los polímeros sintéticos están formados por largas cadenas de motivos moleculares repetidos, como cuentas en una cadena. En polímeros elastoméricos, o elastómeros, estas largas cadenas están ligeramente reticuladas, dando a los materiales una calidad gomosa. Sin embargo, Estos enlaces cruzados también se pueden utilizar para hacer que los elastómeros sean más rígidos aumentando el número de enlaces cruzados.

Aunque estudios anteriores han manipulado la densidad de los enlaces cruzados para hacer que los elastómeros sean más rígidos, el cambio resultante en la resistencia mecánica fue generalmente permanente.

"Los enlaces cruzados son como puntadas en un trozo de tela, cuantas más puntadas tengas, cuanto más rígido se pone el material y viceversa, "dijo Sukhishvili." Pero en lugar de que estos 'puntos' sean permanentes, queríamos lograr una reticulación dinámica y reversible para poder crear materiales que fueran reciclables ".

Entonces, los investigadores centraron su atención en las moléculas implicadas en la reticulación. Primero, eligieron un polímero parental, llamado prepolímero, y luego tachonó químicamente estas cadenas de prepolímeros con dos tipos de pequeñas moléculas de reticulación:furano y maleimida. Al aumentar el número de estas moléculas en el prepolímero, descubrieron que podían crear materiales más rígidos. De este modo, el material más duro que crearon fue 1, 000 veces más fuerte que el más suave.

Sin embargo, estos enlaces cruzados también son reversibles. El furano y la maleimida participan en un tipo de enlace químico reversible. En pocas palabras, en esta reacción, Los pares de furano y maleimida pueden "hacer clic" y "desacoplar" según la temperatura. Cuando la temperatura es lo suficientemente alta, estas moléculas se separan de las cadenas de polímero y los materiales se ablandan. A temperatura ambiente, los materiales se endurecen ya que las moléculas vuelven a unirse rápidamente, una vez más formando enlaces cruzados. Por lo tanto, si hay algún desgarro en estos materiales a temperatura ambiente, los investigadores demostraron que el furano y la maleimida vuelven a hacer clic automáticamente, curando la brecha en unos pocos segundos.

Los investigadores observaron que las temperaturas a las que los reticulantes se disocian o se desprenden de las cadenas de prepolímeros son relativamente las mismas para diferentes niveles de rigidez. Esta propiedad es útil para la impresión 3D con estos materiales. Independientemente de si son suaves o duros, los materiales se pueden fundir a la misma temperatura y luego usarse como tinta de impresión.

"Al modificar el hardware y los parámetros de procesamiento en una impresora 3D estándar, pudimos usar nuestros materiales para imprimir objetos complejos en 3-D capa por capa, "dijo el Dr. Frank Gardea, ingeniero de investigación en el Laboratorio de Investigación del Ejército de los Estados Unidos y autor correspondiente del estudio. "La ventaja única de nuestros materiales es que las capas que componen la pieza tridimensional pueden tener una rigidez muy diferente".

A medida que la parte tridimensional se enfría a temperatura ambiente, agregó que las diferentes capas se unen a la perfección, excluyendo la necesidad de curado o cualquier otro procesamiento químico. Como consecuencia, las piezas impresas en 3-D se pueden fundir fácilmente utilizando altas temperaturas y luego reciclarse como tinta de impresión. Los investigadores también notaron que sus materiales son reprogramables. En otras palabras, después de haber sido puesto en una forma, se pueden hacer cambiar a una forma diferente usando solo calor.

En el futuro, los investigadores planean aumentar la funcionalidad de sus nuevos materiales amplificando sus propiedades multifacéticas descritas en el estudio actual.

"Ahora, podemos lograr fácilmente alrededor del 80% de autocuración a temperatura ambiente, pero nos gustaría llegar al 100%. También, queremos que nuestros materiales respondan a otros estímulos distintos a la temperatura, como la luz "dijo Gardea." Más adelante en el camino, nos gustaría explorar la posibilidad de introducir algo de inteligencia de bajo nivel para que estos materiales sepan adaptarse de forma autónoma sin necesidad de que un usuario inicie el proceso ".