Un hidrogel muy enredado (izquierda) y un hidrogel regular (derecha). Crédito:Suo Lab / Harvard SEAS
La ciencia de los polímeros ha hecho posibles los neumáticos de caucho, Teflón y Kevlar, botellas de agua de plástico, chaquetas de nailon entre muchas otras características omnipresentes de la vida diaria. Polímeros elásticos, conocidos como elastómeros, se pueden estirar y soltar repetidamente y se utilizan en aplicaciones como guantes y válvulas cardíacas, donde necesitan durar mucho tiempo sin romperse. Pero un enigma ha dejado perplejos a los científicos de polímeros:los polímeros elásticos pueden ser rígidos, o pueden ser duros, pero no pueden ser ambos.
Este conflicto rigidez-tenacidad es un desafío para los científicos que desarrollan polímeros que podrían usarse en aplicaciones que incluyen la regeneración de tejidos, bioadhesivos, bioimpresión, electrónica portátil, y robots blandos.
En un artículo publicado hoy en Ciencias , Investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas (SEAS) de Harvard John A. Paulson han resuelto ese conflicto de larga data y han desarrollado un elastómero que es rígido y resistente.
"Además de desarrollar polímeros para aplicaciones emergentes, Los científicos se enfrentan a un desafío urgente:la contaminación plástica, "dijo Zhigang Suo, el profesor Allen E. y Marilyn M. Puckett de Mecánica y Materiales, el autor principal del estudio. "El desarrollo de polímeros biodegradables una vez más nos ha devuelto a preguntas fundamentales:¿por qué algunos polímeros son duros? pero otros frágiles? ¿Cómo hacemos que los polímeros resistan el desgarro bajo estiramientos repetidos? "
Las cadenas de polímeros se fabrican uniendo bloques de construcción de monómeros. Para hacer un material elástico, las cadenas de polímero están reticuladas por enlaces covalentes. Cuantos más enlaces cruzados, cuanto más cortas son las cadenas de polímero y más rígido es el material.
"A medida que sus cadenas de polímeros se acortan, la energía que puede almacenar en el material disminuye y el material se vuelve quebradizo, "dijo Junsoo Kim, estudiante de posgrado en SEAS y co-primer autor del artículo. "Si solo tiene unos pocos enlaces cruzados, las cadenas son mas largas, y el material es resistente pero demasiado blando para ser útil ".
Para desarrollar un polímero que sea rígido y resistente, los investigadores miraron al físico, en lugar de enlaces químicos para unir las cadenas de polímero. Estos lazos físicos, llamados enredos, se conocen en el campo desde que existe la ciencia de los polímeros, pero se ha pensado que solo afectan la rigidez, no dureza.
Pero el equipo de investigación de SEAS descubrió que con suficientes enredos, un polímero podría volverse resistente sin comprometer la rigidez. Para crear polímeros altamente entrelazados, los investigadores utilizaron una solución precursora de monómero concentrada con 10 veces menos agua que otras recetas de polímeros.
Cada cadena de polímero tiene una gran cantidad de entrelazamientos a lo largo de su longitud (izquierda) y un eslabón cruzado en cada extremo. Un polímero estirado (centro) que muestra la transmisión de la tensión a otras cadenas. Crédito:Suo Lab / Harvard SEAS
"Al agrupar todos los monómeros en esta solución con menos agua y luego polimerizarla, los obligamos a enredarse, como hilos enredados de hilo, "dijo Guogao Zhang, becario postdoctoral en SEAS y coautor del artículo. "Al igual que con los tejidos de punto, los polímeros mantienen su conexión entre sí al estar físicamente entrelazados ".
Con cientos de estos enredos, solo se requieren un puñado de enlaces cruzados químicos para mantener estable el polímero.
"Como elastómeros, estos polímeros tienen alta tenacidad, fuerza, y resistencia a la fatiga, "dijo Meixuanzi Shi, académico visitante en SEAS y coautor del artículo. "Cuando los polímeros se sumergen en agua para convertirse en hidrogeles, tienen baja fricción, y alta resistencia al desgaste ".
Esa alta resistencia a la fatiga y alta resistencia al desgaste aumenta la durabilidad y la vida útil de los polímeros.
"Nuestra investigación muestra que al utilizar entrelazamientos en lugar de enlaces cruzados, podríamos disminuir el consumo de algunos plásticos aumentando la durabilidad de los materiales, "dijo Zhang.
"Esperamos que esta nueva comprensión de la estructura de los polímeros amplíe las oportunidades de aplicaciones y allane el camino para que sean más sostenibles materiales poliméricos de larga duración con estas excepcionales propiedades mecánicas, "dijo Kim.
