Inspirado en la seda de araña extremadamente fuerte, Los investigadores de NTNU han desarrollado un nuevo material que desafía los compromisos previamente vistos entre dureza y rigidez.

El material es un tipo de polímero conocido como elastómero porque tiene una elasticidad similar al caucho. El elastómero recientemente desarrollado presenta moléculas que tienen ocho enlaces de hidrógeno en una unidad repetida, y son estos enlaces los que ayudan a distribuir uniformemente la tensión ejercida sobre el material y lo hacen tan duradero.

"Los ocho enlaces de hidrógeno son el origen de las extraordinarias propiedades mecánicas, "dice Zhiliang Zhang, profesor de mecánica y materiales en el Departamento de Ingeniería Estructural de NTNU. El material fue desarrollado en NTNU NanoLab y parcialmente financiado por el Consejo de Investigación de Noruega.

Sustancia rígida y resistente

La idea de introducir un número de enlaces de hidrógeno superior al habitual surgió de la naturaleza. "La seda de araña contiene el mismo tipo de estructura, "dice Yizhi Zhuo, quien desarrolló el nuevo material como parte de su Ph.D. y trabajo postdoctoral. "Sabíamos que podría resultar en propiedades muy especiales".

Los científicos han señalado anteriormente que la seda de araña, específicamente la seda de dragalina, que proporciona los radios y el borde exterior de una telaraña, es excepcionalmente rígido y resistente.

La rigidez y la tenacidad son propiedades distintas en ingeniería, ya menudo están en oposición. Los materiales rígidos pueden soportar mucha tensión antes de deformarse, mientras que los materiales duros pueden absorber mucha energía antes de romperse. Vidrio, por ejemplo, es rígido pero no resistente.

Mayor tenacidad

Hasta ahora, No ha sido posible replicar la doble rigidez y dureza de la seda de araña en elastómeros sintéticos. "Con materiales comerciales, si quieres tener mayor rigidez, tienes menor dureza. Es una compensación. No puedes tener ambos "dice Zhang.

El nuevo elastómero del equipo presenta dominios duros y blandos distintos. Después de idearlo y hacerlo, el equipo utilizó un microscopio de fuerza atómica, con una resolución de fracciones de nanómetro, para observar la estructura subyacente del material, y observe la interfaz entre las regiones duras y blandas.

Vieron que, además de los ocho enlaces de hidrógeno que distribuyen el estrés, el desajuste en la rigidez entre los dominios duro y blando ayudó a disipar aún más la energía al alentar las grietas a ramificarse en lugar de continuar por un camino recto. "Si tienes un zig-zag, crea una gran superficie de fractura y disipa más energía, para que tengas mayor dureza, "dice Zhang.

¿Un futuro en electrónica flexible?

Junto a sus propiedades mecánicas, el material es ópticamente transparente y las investigaciones sugieren que incluso podría curarse a sí mismo a temperaturas superiores a 80 ° C. Si la producción se puede ampliar, El nuevo material podría usarse algún día en electrónica flexible, en particular en dispositivos portátiles que son más propensos a sufrir daños y roturas.

Zhang y sus colegas presentaron una patente para su material en marzo, pero continúan trabajando para introducirle otras propiedades deseables. Los dominios blandos en su material están formados por un polímero a base de silicio conocido como PDMS, pero los investigadores sospechan que podrían mejorar aún más las propiedades mecánicas al experimentar con otras sustancias.

También les gustaría extender las propiedades del material para incluir antihielo, que evita que el hielo se adhiera a bajas temperaturas, y antiincrustante, que evita que los organismos acuáticos como los mejillones y las algas se adhieran a él, para que pueda usarse en condiciones extremas. como el Ártico. "Este material es un buen punto de partida, pero queremos agregar alguna otra funcionalidad, "dice Zhang.