Una demostración de fuerza: Un nuevo polímero que se endurece y cambia de color con la tensión mecánica
Una capacidad fascinante y crucial de los tejidos biológicos, como los músculos, es la autocuración y el autofortalecimiento en respuesta a los daños causados por fuerzas externas. En cambio, la mayoría de los polímeros fabricados por el ser humano se rompen irreversiblemente si se les somete a una tensión mecánica suficiente, lo que los hace menos útiles para ciertas aplicaciones críticas como la fabricación de órganos artificiales. Pero, ¿y si pudiéramos diseñar polímeros que reaccionaran químicamente a los estímulos mecánicos y utilizaran esta energía para mejorar sus propiedades?
Se sintetizaron poliuretanos segmentados (SPU) que contenían restos de di-fluorenil succinonitrilo (DFSN) y grupos metacriloílicos. Los elastómeros obtenidos generaron radicales de cianofluoreno de color rosa y cambiaron de color por compresión o extensión. Este es el primer ejemplo de reacciones de reticulación inducidas por la fuerza que se consiguen sólo con la extensión o la compresión de una película a granel.
Tokyo Tech
Este objetivo, que ha demostrado ser un gran reto, está en el punto de mira del campo de la mecanoquímica. En un estudio reciente publicado en la revista Angewandte Chemie International Edition, un equipo de científicos del Tokyo Tech, la Universidad de Yamagata y el Instituto de Investigación Química de Sagami (Japón) ha realizado notables avances con polímeros autoreforzantes a granel. El profesor Hideyuki Otsuka, que dirigió el estudio, explica su motivación: "Profundizar en el desarrollo de elegantes sistemas a granel en los que una reacción inducida por la fuerza provoca un claro cambio en las propiedades mecánicas representaría un avance que cambiaría el juego en la mecanoquímica, la química de los polímeros y la ciencia de los materiales". Lograron este objetivo centrándose en el difluorenilsuccinonitrilo (DFSN), un "mecanóforo" o molécula que responde a la tensión mecánica.
El equipo creó cadenas poliméricas de poliuretano segmentadas con segmentos funcionales duros y blandos. Los segmentos blandos contienen moléculas de DFSN que actúan como su "eslabón más débil", con sus dos mitades unidas por un único enlace covalente. Los segmentos blandos también tienen sus cadenas laterales rematadas con unidades de metacriloilo. Al aplicar una tensión mecánica, como una simple compresión o extensión, sobre el polímero, la molécula de DFSN se divide en dos radicales de cianofluoreno (CF) iguales. Estos radicales CF, a diferencia del DFSN, adquieren un color rosado, lo que facilita la detección visual de los daños mecánicos.
Y lo que es más importante, los radicales CF reaccionan con las unidades de metacriloilo de las cadenas laterales de otros polímeros, haciendo que los polímeros separados se enganchen químicamente entre sí en un proceso conocido como reticulación. Este fenómeno hace que, en última instancia, la resistencia general del material a granel aumente a medida que los polímeros se entrelazan más químicamente. Este efecto de entrecruzamiento químico, como demostraron los científicos experimentalmente, se acentúa a medida que se realizan más ciclos de compresión en las muestras de polímero segmentadas, ya que más moléculas de DFSN se dividen en radicales CF.
Además, el equipo creó una ligera variante de su polímero segmentado que no sólo se vuelve rosa, sino que también presenta fluorescencia bajo irradiación ultravioleta cuando se le aplica una fuerza mecánica. Esta funcionalidad resulta muy útil para cuantificar con mayor precisión el alcance de los daños causados por la tensión mecánica.
Las atractivas propiedades y funcionalidades de los polímeros desarrollados son útiles, por ejemplo, para la detección intuitiva de daños y la creación de materiales adaptables. Expresando su entusiasmo por sus hallazgos, Otsuka comenta: "Hemos desarrollado con éxito polímeros mecanorresponsables sin precedentes que presentan cambio de color, fluorescencia y capacidad de autofortalecimiento, lo que supone el primer informe de reacciones de reticulación inducidas por la fuerza que se logran simplemente mediante la extensión o compresión de una película a granel. Nuestros hallazgos representan un avance significativo en la investigación fundamental de la mecanoquímica y sus aplicaciones en la ciencia de los materiales".
A medida que se desarrollen más materiales mecanosensibles con funciones únicas, podemos esperar que se exploren sus innumerables aplicaciones en diversos campos industriales y de ingeniería. Esté atento a los nuevos avances de la mecanoquímica.
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