Investigadores de la Universidad de Rice han creado un material sintético que se fortalece con el estrés repetido, al igual que el cuerpo fortalece los huesos y los músculos después de entrenamientos repetidos.

Trabajo del laboratorio de arroz de Pulickel Ajayan, profesor de ingeniería mecánica y ciencia de los materiales y de química, muestra el potencial de endurecer los nanocompuestos basados ​​en polímeros con rellenos de nanotubos de carbono. El equipo informó su descubrimiento este mes en la revista. ACS Nano .

El truco, parece, yace en el complejo, interfaz dinámica entre nanoestructuras y polímeros en materiales nanocompuestos cuidadosamente diseñados.

Brent Carey, un estudiante de posgrado en el laboratorio de Ajayan, encontró la propiedad interesante al probar las propiedades de fatiga de ciclo alto de un compuesto que hizo infiltrando un bosque de alineados verticalmente, nanotubos de paredes múltiples con polidimetilsiloxano (PDMS), un inerte, polímero gomoso. Para su gran sorpresa, cargar repetidamente el material no pareció dañarlo en absoluto. De hecho, el estrés lo hizo más rígido.

Carey, cuya investigación está patrocinada por una beca de la NASA, utilizaron análisis mecánico dinámico (DMA) para probar su material. Descubrió que después de la asombrosa cantidad de 3,5 millones de compresiones (cinco por segundo) durante aproximadamente una semana, la rigidez del material compuesto había aumentado en un 12 por ciento y mostraba el potencial para una mejora aún mayor.

"Fueron necesarios algunos ajustes para que el instrumento hiciera esto, "Dijo Carey." DMA generalmente asume que su material no está cambiando de manera permanente. En las primeras pruebas, el software seguía diciéndome, ¡He dañado la muestra! a medida que aumentaba la rigidez. También tuve que engañarlo con un bucle de programa sin solución para lograr la gran cantidad de ciclos ".

Los científicos de materiales saben que los metales pueden endurecerse por deformación durante la deformación repetida, como resultado de la creación y el atasco de defectos, conocidos como dislocaciones, en su red cristalina. Polímeros que están hechos de largo, repetición de cadenas de átomos, no se comporte de la misma manera.

El equipo no está seguro de por qué su material sintético se comporta como lo hace. "Pudimos descartar una mayor reticulación en el polímero como explicación, ", Dijo Carey." Los datos muestran que hay muy poca interacción química, Si alguna, entre el polímero y los nanotubos, y parece que esta interfaz fluida está evolucionando durante el estrés ".

"El uso de nanomateriales como relleno aumenta enormemente esta área interfacial por la misma cantidad de material de relleno añadido, "Ajayan dijo." Por lo tanto, los efectos interfaciales resultantes se amplifican en comparación con los compuestos convencionales.

"Para materiales de ingeniería, a la gente le encantaría tener un compuesto como este, ", dijo." Este trabajo muestra cómo los nanomateriales en compuestos se pueden utilizar de forma creativa ".

También encontraron otra verdad sobre este fenómeno único:simplemente comprimir el material no cambió sus propiedades; solo el estrés dinámico, deformándolo una y otra vez, lo hizo más rígido.

Carey estableció una analogía entre su material y sus huesos. "Siempre que estreses un hueso del cuerpo con regularidad, seguirá siendo fuerte, ", dijo." Por ejemplo, los huesos del brazo de la raqueta de un jugador de tenis son más densos. Esencialmente, este es un efecto adaptativo que nuestro cuerpo usa para soportar las cargas que se le aplican.

"Nuestro material es similar en el sentido de que una carga estática en nuestro compuesto no causa un cambio. Hay que estresarlo dinámicamente para mejorarlo".

El cartílago puede ser una mejor comparación, y posiblemente incluso un futuro candidato para el reemplazo de nanocompuestos. "Podemos imaginar que esta respuesta sea atractiva para el desarrollo de cartílago artificial que pueda responder a las fuerzas que se le aplican, pero que se mantenga flexible en áreas que no están sometidas a estrés". "Dijo Carey.

Ambos investigadores señalaron que este es el tipo de investigación básica que plantea más preguntas de las que responde. Si bien pueden medir fácilmente las propiedades a granel del material, es una historia completamente diferente entender cómo el polímero y los nanotubos interactúan a nanoescala.

"La gente ha estado tratando de abordar la cuestión de cómo se comporta la capa de polímero alrededor de una nanopartícula, "Dijo Ajayan.
"Es un problema muy complicado. Pero fundamentalmente, es importante si eres un ingeniero de nanocomposites.

"Desde esa perspectiva, Creo que este es un resultado hermoso. Nos dice que es factible diseñar interfaces que hagan que el material haga cosas poco convencionales ".