Un descubrimiento cuestiona un dogma de 30 años en la investigación de polímeros asociativos
Una de las claves del trabajo del equipo de la UVA fue superar una característica del material que ha obstaculizado a los investigadores durante años
Un estudio dirigido por la Universidad de Virginia sobre una clase de materiales denominados polímeros asociativos parece poner en tela de juicio la idea que se tenía desde hace tiempo de cómo funcionan a nivel molecular estos materiales, que tienen propiedades únicas de autocuración y fluidez.
Representación en 3D de dos monómeros que forman un enlace reversible de doble hidrógeno que ralentiza el movimiento del polímero sin crear una red elástica. Seleccionado para una Sinopsis en Física y una Sugerencia de los Editores, y destacado como portada en Physical Review Letters.
S. Nian et al., Phys. Rev. Lett. 130, 228101 (2023)
Liheng Cai, profesor adjunto de Ciencia e Ingeniería de Materiales e Ingeniería Química en la UVA, que dirigió el estudio, afirmó que el nuevo descubrimiento tiene importantes implicaciones para las innumerables formas en que estos materiales se utilizan a diario, desde la ingeniería de plásticos reciclables a la ingeniería de tejidos humanos, pasando por el control de la consistencia de la pintura para que no gotee.
El descubrimiento, publicado en la revista Physical Review Letters, ha sido posible gracias a los nuevos polímeros asociativos desarrollados en el laboratorio de Cai, en la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la UVA, por su investigador postdoctoral Shifeng Nian y el estudiante de doctorado Myoeum Kim. El avance evolucionó a partir de una teoría que Cai había codesarrollado antes de llegar a la UVA en 2018.
"Shifeng y Myoeum esencialmente crearon una novedosa plataforma experimental para estudiar la dinámica de los polímeros asociativos de maneras que no eran posibles antes", dijo Cai.
"Esto nos dio una nueva perspectiva sobre el comportamiento de los polímeros y proporciona oportunidades para mejorar nuestra comprensión de áreas de estudio particularmente desafiantes en la ciencia de los polímeros". Y desde el punto de vista tecnológico, la investigación contribuye al desarrollo de materiales autorregenerables con propiedades a medida."
Los polímeros son macromoléculas compuestas de unidades repetitivas, o monómeros. Reorganizando o combinando estas unidades y manipulando sus enlaces, los científicos pueden diseñar materiales poliméricos con características específicas.
Los polímeros también pueden cambiar de estado, de duro y rígido, como el vidrio, a gomoso o incluso fluido, dependiendo de factores como la temperatura o la fuerza (por ejemplo, empujando un gel sólido a través de una aguja hipodérmica).
Los polímeros asociativos son especialmente peculiares: Sus fracciones -término general para subunidades moleculares con propiedades físicas personalizables- se mantienen unidas mediante enlaces reversibles, lo que significa que pueden separarse y volver a formarse.
Este proceso permite obtener propiedades macroscópicas inaccesibles para los polímeros convencionales. Como resultado, los polímeros asociativos ofrecen soluciones a algunos de los retos más acuciantes en materia de sostenibilidad y salud. Por ejemplo, los polímeros asociativos se utilizan como modificadores de la viscosidad en combustibles, para crear polímeros resistentes y autorreparables y para diseñar biomateriales con propiedades físicas fundamentales para la ingeniería y regeneración de tejidos.
Una de las claves del trabajo del equipo de la UVA fue superar una característica de los materiales que ha obstaculizado a los investigadores durante años. En el laboratorio, los científicos trabajan con materiales cuyos enlaces pueden romperse y volver a formarse en "escalas de tiempo de laboratorio", es decir, en plazos que pueden observar mediante experimentos. Sin embargo, en casi todos los sistemas experimentales existentes, las moléculas se agregan en pequeños grupos, lo que impide estudiar con precisión la relación entre los enlaces reversibles y el comportamiento de los polímeros.
El equipo de Cai desarrolló nuevos tipos de polímeros asociativos en los que los enlaces están distribuidos uniformemente por todo el material y en una amplia gama de densidades. Para confirmar que sus materiales no forman agrupaciones, los investigadores colaboraron con Mikhail Zhernenkov, científico del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de Estados Unidos. Realizaron experimentos con una sofisticada herramienta de rayos X -la línea de rayos de interfaces de materia blanda- en la Fuente Nacional de Luz Sincrotrón II para revelar la composición interna de los polímeros sin dañar las muestras.
Estos nuevos polímeros asociativos permitieron al equipo de Cai estudiar con precisión los efectos de las interacciones reversibles en la dinámica de los polímeros asociativos.
La dinámica y el comportamiento hacen referencia a características como la temperatura a la que el movimiento de las moléculas se ralentiza hasta alcanzar un estado rígido "vítreo", la viscosidad (la libertad con la que fluye un material) y la elasticidad (su capacidad para volver a romperse tras ser deformado). Una mezcla de estos rasgos suele ser deseable para diseñar, por ejemplo, un biomaterial compatible con el tejido humano que pueda reconstituirse tras una inyección.
Durante 30 años, se ha aceptado que cuando los enlaces reversibles permanecen intactos, actúan como reticulantes, dando lugar a un material gomoso. Pero eso no es lo que descubrió el equipo dirigido por la UVA.
En colaboración con Shiwang Cheng, profesor adjunto del departamento de ingeniería química y ciencia de los materiales de la Universidad Estatal de Michigan y experto en dinámica de flujos, el equipo midió con precisión el comportamiento de flujo de sus polímeros en una amplia gama de escalas temporales.
"Esto requiere un control cuidadoso del entorno local, como la temperatura y la humedad de los polímeros", explica Cheng. "A lo largo de los años, mi laboratorio ha desarrollado un conjunto de métodos y sistemas para hacerlo".
El equipo descubrió que los enlaces pueden ralentizar el movimiento de los polímeros y disipar energía sin crear una red gomosa. Inesperadamente, la investigación demostró que las interacciones reversibles influyen en las cualidades vítreas de los polímeros más que en su rango viscoelástico.
"Nuestros polímeros asociativos constituyen un sistema que permite investigar por separado los efectos de las interacciones reversibles sobre el movimiento [del polímero] y el comportamiento vítreo", afirma Cai. "Esto puede ofrecer oportunidades para mejorar la comprensión de la difícil física de los polímeros vítreos como los plásticos".
A partir de sus experimentos, el equipo de Cai también desarrolló una nueva teoría molecular que explica el comportamiento de los polímeros asociativos, lo que podría cambiar la forma de pensar sobre cómo diseñarlos con propiedades optimizadas, como una alta rigidez y una rápida capacidad de autocuración.
Además de Nian, Kim, Cheng y Zhernenkov, Cai colaboró con Ting Ge, experto en simulaciones computacionales y profesor adjunto de Química y Bioquímica en la Universidad de Carolina del Sur, y Quan Chen, del Laboratorio Estatal Clave de Física y Química de Polímeros del Instituto de Química Aplicada de Changchun, que aportó el código inicial para analizar el comportamiento de flujo de los polímeros.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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