El mundo está lleno de innumerables sonidos y vibraciones:los suaves tonos de un piano que suena por el pasillo, el relajante ronroneo de un gato recostado sobre tu pecho, el molesto zumbido de las luces de la oficina. Imagínese poder desconectar selectivamente los ruidos de una determinada frecuencia.
Investigadores de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign han sintetizado redes de polímeros con dos arquitecturas distintas y puntos de entrecruzamiento capaces de intercambiar dinámicamente hebras de polímero para comprender cómo la conectividad de la red y los mecanismos de intercambio de enlaces gobiernan el comportamiento general de amortiguación de la red. La incorporación de enlaces dinámicos en la red polimérica demuestra una excelente amortiguación del sonido y las vibraciones en frecuencias bien definidas.
"Esta investigación trata sobre el uso de polímeros para absorber diversos sonidos y vibraciones que pueden ocurrir en diferentes frecuencias", dice el profesor de ingeniería y ciencia de materiales Chris Evans, quien dirigió este trabajo. "Queremos saber cómo diseñar la química a escala molecular del polímero de tal manera que podamos controlar qué tipo de capacidad de absorción de energía tiene".
Los resultados de esta nueva investigación se publicaron recientemente en Nature Communications. .
Ser capaz de adaptar polímeros para absorber frecuencias específicas puede ser beneficioso para su uso en tapones para los oídos y cascos para personas cercanas a explosiones y en escenarios con exposición repetida a una determinada frecuencia de ruido, como un piloto de helicóptero, donde dicha exposición a largo plazo puede provocar problemas de audición.
Los polímeros son moléculas de cadena larga compuestas de muchas unidades que se repiten. Algunos polímeros no son completamente lineales y tienen ramas, como los árboles; y otros polímeros están altamente entrecruzados donde las cadenas de polímeros individuales están conectadas mediante enlaces covalentes a otras cadenas, como una red. El punto de entrecruzamiento es un enlace que une una cadena de polímero con otra, y aquí es donde los enlaces pueden intercambiarse.
Los enlaces dinámicos dentro de una red polimérica le permiten reorganizar su estructura en respuesta a un cambio en el entorno (alta temperatura, pH, exposición a la luz ultravioleta, etc.). Reemplazar algunos enlaces covalentes en estructuras poliméricas reticuladas con enlaces dinámicos puede mejorar las propiedades del polímero, como el módulo (la rigidez del material) y la viscosidad (la facilidad con que fluye el material). Los enlaces dinámicos proporcionan materiales con propiedades únicas como autocuración, superestirabilidad, propiedades adhesivas y dureza del material debido a la modificación de las propiedades viscoelásticas.
"El avance clave aquí es que estamos utilizando enlaces covalentes dinámicos", explica Evans. "Son enlaces químicos pero pueden intercambiarse entre sí (la parte dinámica) y cuando se usan dos químicas diferentes, pueden intercambiarse en escalas de tiempo muy diferentes (la parte ortogonal). Estamos usando ese proceso para tratar de controlar qué frecuencias de sonido y vibración que estamos absorbiendo."
La incorporación de enlaces ortogonales, donde los enlaces rápidos solo pueden intercambiarse con otros enlaces rápidos y los enlaces lentos solo pueden intercambiarse con otros enlaces lentos, genera modos de relajación múltiples y bien separados, lo que le da a la red una excelente amortiguación y propiedades mecánicas mejoradas, como la tenacidad. P>
El equipo creó una serie de polímeros que tenían tipos controlados de arquitecturas y columnas vertebrales y observaron la forma en que se conectan las cadenas de polímeros. Evans dice que en realidad hace una gran diferencia cómo se conectan las cadenas de polímeros para lograr los procesos de disipación de energía en escalas de tiempo muy específicas que corresponderían a ondas sonoras o vibraciones muy específicas. Si las cadenas sólo están unidas en los extremos, esto no es tan efectivo como estar unidas periódicamente a lo largo de la columna vertebral de la cadena.
Sin embargo, una de las principales limitaciones de los materiales utilizados en esta investigación es que, en última instancia, fluyen. Por ejemplo, las bandas elásticas conservarán su forma, pero cuando se agregan esos enlaces dinámicos, eventualmente siempre fluirán, como masilla. Esto está bien, por ejemplo, para un casco de soldado donde el material está encerrado dentro de la carcasa del casco, pero no tanto para un tapón para los oídos. Evans dice que su grupo está trabajando en formas de hacer que el polímero sea más un material autónomo y, en el futuro, les gustaría incorporar enlaces más dinámicos, para que el polímero no se adapte sólo a una frecuencia específica, pero para una gama mucho más amplia de frecuencias.
Chris Evans también es afiliado del Laboratorio de Investigación de Materiales y del Instituto Beckman de Ciencia y Tecnología Avanzadas de la UIUC.
Otros contribuyentes a este trabajo incluyen a Sirui Ge (departamento de ciencia e ingeniería de materiales y Laboratorio de Investigación de Materiales de UIUC) y Yu-Hsuan Tsao (departamento de ciencia e ingeniería de materiales y Laboratorio de Investigación de Materiales de UIUC).
Más información: Sirui Ge et al, La arquitectura polimérica dicta múltiples procesos de relajación en redes blandas con dos enlaces dinámicos ortogonales, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43073-w
Información de la revista: Comunicaciones sobre la naturaleza
Proporcionado por la Facultad de Ingeniería Grainger de la Universidad de Illinois
