Un importante avance en el campo de los materiales resuelve un problema de polímeros de casi 200 años de antigüedad
Los investigadores desafían las reglas de la ciencia de materiales con moléculas que liberan longitud almacenada para desacoplar rigidez y elasticidad
Investigadores de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Virginia han desarrollado un nuevo diseño de polímero que parece reescribir el libro de texto sobre ingeniería de polímeros. Ya no es dogma que cuanto más rígido es un material polimérico, menos extensible tiene que ser.
Representación artística de una red formada por la reticulación de polímeros plegables bottlebrush, que presentan un esqueleto colapsado injertado con muchas cadenas laterales lineales flexibles.
Liheng Cai, Baiqiang Huang/Soft Biomatter Lab, University of Virginia School of Engineering and Applied Science
Baiqiang Huang (izquierda), estudiante de doctorado en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Virginia, con el profesor adjunto de la UVA Liheng Cai.
Matt Cosner, University of Virginia School of Engineering and Applied Science
"Estamos abordando un reto fundamental que se creía imposible de resolver desde la invención del caucho vulcanizado en 1839", explica Liheng Cai, profesor adjunto de Ciencia e Ingeniería de Materiales e Ingeniería Química.
Fue entonces cuando Charles Goodyear descubrió accidentalmente que el calentamiento del caucho natural con azufre creaba entrecruzamientos químicos entre las moléculas de caucho en forma de hebra. Este proceso de entrecruzamiento crea una red de polímeros que transforma el caucho pegajoso, que se funde y fluye con el calor, en un material duradero y elástico.
Desde entonces, se ha creído que si se quiere que un material de red polimérica sea rígido, hay que sacrificar algo de elasticidad.
Hasta que el equipo de Cai, dirigido por el estudiante de doctorado Baiqiang Huang, demostró lo contrario con sus nuevas "redes poliméricas plegables de cepillo de botella". Su trabajo, financiado con el premio CAREER de la Fundación Nacional de las Ciencias, aparece en la portada del número del 27 de noviembre de Science Advances.
Desacoplar" rigidez y elasticidad
"Esta limitación ha frenado el desarrollo de materiales que deben ser elásticos y rígidos a la vez, obligando a los ingenieros a elegir una propiedad en detrimento de la otra", explica Huang. "Imaginemos, por ejemplo, un implante cardíaco que se dobla y flexiona con cada latido, pero que sigue durando años".
Huang es el primer autor del artículo, junto con el investigador postdoctoral Shifeng Nian y Cai.
Los polímeros reticulados están presentes en todos los productos que utilizamos, desde los neumáticos de los automóviles hasta los electrodomésticos, y cada vez se emplean más en biomateriales y dispositivos sanitarios.
Algunas de las aplicaciones que el equipo prevé para su material son prótesis e implantes médicos, electrónica portátil mejorada y "músculos" para sistemas robóticos blandos que necesitan flexionarse, doblarse y estirarse repetidamente.
La rigidez y la extensibilidad (hasta dónde puede estirarse o expandirse un material sin romperse) están relacionadas porque se originan a partir del mismo bloque de construcción: las hebras de polímero conectadas por enlaces cruzados. Tradicionalmente, la forma de endurecer una red de polímeros consiste en añadir más enlaces cruzados.
Esto endurece el material, pero no resuelve el problema de la rigidez. Las redes de polímeros con más enlaces cruzados son más rígidas, pero no tienen la misma libertad de deformación y se rompen fácilmente al estirarlas.
Nuestro equipo se dio cuenta de que diseñando polímeros plegables que pudieran almacenar longitud adicional dentro de su propia estructura, podríamos "desacoplar" la rigidez y la extensibilidad, es decir, aumentar la capacidad de estiramiento sin sacrificar la rigidez", explica Cai. "Nuestro enfoque es diferente porque se centra en el diseño molecular de las hebras de la red en lugar de en los enlaces cruzados".
Cómo funciona el diseño plegable
En lugar de hebras de polímero lineales, la estructura de Cai se asemeja a un cepillo de botellas: muchas cadenas laterales flexibles que irradian desde una espina dorsal central.
Lo más importante es que la espina dorsal puede plegarse y expandirse como un acordeón que se despliega al estirarse. Cuando se tira del material, la longitud oculta en el interior del polímero se desenrolla, lo que le permite alargarse hasta 40 veces más que los polímeros estándar sin debilitarse.
Mientras tanto, las cadenas laterales determinan la rigidez, lo que significa que la rigidez y la elongabilidad pueden controlarse por fin de forma independiente.
Se trata de una estrategia "universal" para las redes de polímeros, porque los componentes que forman la estructura plegable del polímero bottlebrush no están restringidos a tipos químicos específicos.
Por ejemplo, uno de sus diseños utiliza un polímero para las cadenas laterales que se mantiene flexible incluso a bajas temperaturas. Sin embargo, si se utiliza un polímero sintético diferente, de uso habitual en ingeniería de biomateriales, para las cadenas laterales se puede producir un gel que imite el tejido vivo.
Como muchos de los nuevos materiales desarrollados en el laboratorio de Cai, el polímero plegable bottlebrush está diseñado para poder imprimirse en 3D. Esto es así incluso cuando se mezcla con nanopartículas inorgánicas, que pueden diseñarse para que presenten intrincadas propiedades eléctricas, magnéticas u ópticas.
Por ejemplo, pueden añadir nanopartículas conductoras, como nanorods de plata u oro, que son fundamentales para la electrónica extensible y ponible.
"Estos componentes nos dan infinitas opciones para diseñar materiales que equilibren resistencia y elasticidad, aprovechando al mismo tiempo las propiedades de las nanopartículas inorgánicas en función de requisitos específicos", afirma Cai.
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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