La cristalización inducida por deformación puede fortalecer, endurecer y facilitar un efecto elastocalórico en elastómeros. La cristalinidad resultante puede inducirse mediante estiramiento mecánico en elastómeros comunes que normalmente están por debajo del 20 %, con una meseta de estirabilidad.
En un nuevo informe publicado ahora en Science Advances , Chase M. Hartquist y un equipo de científicos en ingeniería mecánica y ciencias de materiales del MIT y la Universidad de Duke en EE. UU. utilizaron una clase de elastómeros formados mediante enlaces finales para lograr un porcentaje de cristalinidad inducida por deformación.
El elastómero en forma de estrella desinflado y enlazado en los extremos, abreviado como DELSE, alcanzó una capacidad de estiramiento ultraalta a escala, más allá del límite de saturación de los elastómeros comunes, para promover un alto efecto elastocalórico con un cambio de temperatura adiabático.
El proceso de cristalización inducida por tensión es común en elastómeros y geles donde las cadenas de polímeros amorfos pueden transformarse en dominios altamente orientados y alineados debido a una tensión mecánica aplicada. Dado que los dominios cristalinos orientados y alineados pueden resistir la extensión de la grieta y el embotamiento para facilitar la deflexión de la grieta, el proceso de cristalización inducida por deformación preservó la integridad de la red y logró una recuperación cercana al 100 % en segundos.
El método desempeña un papel clave en una variedad de aplicaciones, incluido el enfriamiento elastocalórico y el accionamiento basado en tensión.
El proceso típico de cristalinidad inducida por deformación en elastómeros comunes es inferior al 20%, mientras que el caucho natural sólo alcanza alrededor del 15% de cristalinidad cuando se estira hasta seis veces su longitud inicial a temperatura ambiente. En este nuevo trabajo, Hartquist y un equipo de investigadores describieron una clase de elastómeros de estrella unidos por extremos y desinflamados para lograr hasta un 50% de cristalinidad inducida por tensión. Los científicos atribuyeron la cristalización inducida por una tensión ultraalta a una estructura de red uniforme y una alta capacidad de estiramiento para obtener los resultados esperados.
Para estudiar las características adicionales del elastómero, el equipo utilizó análisis de rayos X para mostrar cómo la estructura y el elastómero en forma de estrella desinflamado y unido por los extremos inducido por la tensión promovían la cristalinidad en comparación con los elastómeros comunes. El equipo de investigación analizó más a fondo la estructura cristalina formada mediante un análisis detallado de rayos X, donde los elastómeros de estrellas desinflamados y unidos por los extremos mostraban un punto de difracción para marcar la formación de cristales de poli(dióxido de etileno) en una estructura helicoidal. Este elastómero promovió una mayor cristalinidad inducida por deformación, en comparación con los elastómeros comunes.
El equipo de investigación llevó a cabo una caracterización mecánica a 60 °C para investigar la cristalización inducida por deformación ultraalta en elastómeros unidos por los extremos deshinchados, lo que promovió de manera efectiva una alta tenacidad, con una histéresis de tensión-estiramiento baja. Hartquist y el equipo reforzaron los materiales más blandos mediante la introducción de enlaces reversibles para inducir una gran histéresis tensión-estiramiento.
Los investigadores estudiaron más a fondo la capacidad de estiramiento de los elastómeros para mostrar cómo los materiales se estiraban más allá de los límites de las redes entrelazadas para aplicaciones más amplias. Luego estudiaron el potencial de utilizar un material calórico para aplicaciones de enfriamiento de estado sólido investigando el efecto elastocalórico en elastómeros de estrella unidos por extremos desinflados y compararon los resultados con los elastómeros convencionales.
Los científicos investigaron el potencial de utilizar un material calórico para aplicaciones de enfriamiento de estado sólido mediante el estudio de los efectos elastocalóricos en elastómeros de estrella desinflados y unidos por extremos en comparación con el caucho natural. Un ciclo de enfriamiento elastocalórico ideal puede aprovechar la disminución en la conformación de la entropía para aumentar la entropía térmica y calentar el material a granel.
En elastómeros con cristalización inducida por deformación, el calor latente adicional contribuyó a la formación de cristalitos para intensificar el efecto. La mayor capacidad de estiramiento y la distribución uniforme de la longitud de la cadena del material aumentaron el efecto elastocalórico teórico, en comparación con los elastómeros convencionales. Estos elastómeros constituyen fuertes candidatos aptos para tecnologías avanzadas de refrigeración de estado sólido.
Perspectivas
De esta manera, los científicos de materiales Chase M. Hartquist y sus colegas compararon el elastómero en forma de estrella desinflado y enlazado en los extremos con caucho natural para mostrar su mayor estabilidad, su diferente química de polímeros y su estructura bien formada que aumentaba combinatoriamente la cristalización inducida por deformación y el efecto elastocalórico en Materiales elastoméricos. La comparación entre los materiales reveló su capacidad de estiramiento y química, así como la importancia de su estructura relativamente homogénea.
Desde el descubrimiento temprano de la banda elástica por J.R. Katz en 1924 debido a la cristalización inducida por tensión, este biomaterial ha desempeñado un papel importante en la sociedad, desde artículos para el hogar hasta neumáticos para automóviles. En este informe, el equipo describió los elastómeros de próxima generación desarrollados con una profunda cristalización inducida por deformación que excedía las dimensiones del caucho natural y otros materiales comunes.
Los materiales desarrollados mostraron capacidad para superar a sus homólogos convencionales, lo que sugiere la capacidad de diseñar materiales blandos regulando su arquitectura de red. Estos materiales desempeñan un papel crucial en la construcción de estructuras aeroespaciales futuristas, dispositivos médicos y aplicaciones de refrigeración elastocalórica.
Más información: Chase M. Hartquist et al, Un elastómero con cristalización inducida por deformación ultraalta, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adj0411
Información de la revista: Avances científicos
© 2023 Red Ciencia X
