Cuando los materiales plásticos se procesan o reciclan, sus propiedades fundamentales pueden degradarse debido al daño causado por la deformación. Los procesos de reciclaje tienden a romper los enlaces moleculares dentro de los materiales, haciéndolos más débiles y menos duraderos. Una forma en que los plásticos se pueden hacer más sostenibles es mediante el uso de materiales blandos autoensamblados que pueden repararse por sí mismos después del daño.

Los materiales autoensamblados se organizan espontáneamente y pueden reformar las conexiones moleculares después de dañarse, lo que permite que los materiales recuperen su fuerza con el tiempo. Muchos investigadores están explorando aplicaciones de materiales autorregenerables donde los componentes plásticos son difíciles de reemplazar o reparar, como la nanotecnología dentro de las computadoras o los materiales biomédicos dentro del cuerpo humano. Sin embargo, los científicos no tienen un conocimiento profundo de su comportamiento a escala molecular.

Thomas O'Connor, profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales, está trabajando para cambiar eso. Él y su equipo de colaboradores están utilizando simulaciones moleculares para estudiar un tipo de materiales de autoensamblaje llamados polímeros asociados. Estos polímeros están hechos de cadenas moleculares largas que contienen grupos pegajosos a lo largo de su longitud.

Los grupos pegajosos se atraen entre sí y se agregan para formar grupos que conectan diferentes cadenas en una red que podría parecerse a un plato de fideos moleculares. Cuando los polímeros se dañan por la deformación, los grupos pegajosos pueden reformarse y curar el material formando una cicatriz molecular. Los grupos más pegajosos pueden formar cicatrices más fuertes, pero si las interacciones pegajosas se vuelven demasiado fuertes, se formarán grupos muy grandes y el polímero se volverá demasiado rígido para manipularlo en la fabricación.

Para comprender cómo se comportan los polímeros asociados cuando se estiran, O'Connor simuló el comportamiento de las cadenas de polímeros durante la deformación por elongación. Descubrió que a medida que estiraba las redes, los grupos pegajosos dentro del material no reaccionaban de manera uniforme.

Los grupos más grandes y fuertes tendían a romperse y permitir que las cadenas fluyeran como un líquido, mientras que otros grupos más débiles no se rompían y evitaban que las cadenas se alargaran. Esta respuesta heterogénea (diferentes comportamientos moleculares del mismo estímulo) es emocionante para los teóricos de materiales como O'Connor porque ayuda a explicar por qué estos materiales son tan impredecibles durante la fabricación.

"Por lo general, la forma en que escribes una teoría para un material es preguntar, '¿cuál es la respuesta promedio de las cadenas de polímeros a lo que estoy haciendo?'", explicó O'Connor. "Pero con esta red están ocurriendo dos comportamientos distintos. Algunas cadenas se estiran y otras se colapsan. El promedio estaría en algún lugar en el medio y no capturaría ninguno".

Por el contrario, cuando O'Connor aceleró la simulación para estirar las cadenas de polímero más rápidamente, descubrió que cuanto más rápido se estiraban las cadenas, más similares se comportaban todas.

A altas velocidades, los grupos que actuaban como conexiones permanentes se rompieron y formaron muchos grupos más pequeños con propiedades similares a los grupos más pequeños que ya existían. "Esto nos mostró que no se pierde toda esperanza de trabajar, procesar y algún día reciclar materiales autoensamblados", explicó O'Connor. "Si bien estos sistemas tienen una forma nueva y desordenada de comportarse, este desorden sigue algunas reglas porque la forma en que el sistema se rompe crea una especie de autoorganización. Tengo muchas ganas de explorar qué harán estas redes cuando podamos controlar con más cuidado a ellos."

Usando simulaciones, el equipo de O'Connor puede controlar con precisión el tamaño y la adherencia de los grupos y puede evaluar cómo las redes de asociación diseñadas con más cuidado responderán al flujo de elongación. Esta investigación publicada en Physical Review X es fundamental para el futuro del procesamiento de materiales autoensamblados.