Investigadores de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Virginia han desarrollado un nuevo diseño de polímero que parece estar reescribiendo el libro de texto sobre ingeniería de polímeros. Ya no existe la creencia de que cuanto más rígido es un material polimérico, menos se puede estirar.
“Estamos abordando un desafío fundamental que se ha considerado imposible de resolver desde la invención del caucho vulcanizado en 1839”, dijo Lihang Cai, profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales e ingeniería química.
Fue entonces cuando Charles Goodyear descubrió accidentalmente que calentar caucho natural con azufre crea enlaces cruzados químicos entre las moléculas de caucho. Este proceso de reticulación crea una red de polímeros, convirtiendo el caucho pegajoso, que se derrite y fluye con el calor, en un material duradero y flexible.
Desde entonces, se ha creído que si se quiere hacer que un material de red polimérica sea más rígido, hay que sacrificar cierta capacidad de estiramiento.
Es decir, hasta que el equipo de Cai, dirigido por Ph.D. El estudiante Baiqiang Huang demostró lo contrario con su nueva “red de polímero de cepillo para botellas plegable”. Su trabajo, financiado por el Premio CARRERA de la Fundación Nacional de Ciencias de Cai, aparece en la portada de la edición del 27 de noviembre de Science Advances.
Rigidez y estiramiento ‘desacoplados’
“Esta limitación ha obstaculizado el desarrollo de materiales que deben ser a la vez dúctiles y resistentes, lo que ha obligado a los ingenieros a elegir una propiedad a expensas de la otra”, afirmó Huang. “Por ejemplo, imagine un implante cardíaco que se dobla y flexiona con cada latido pero que aún dura años”.
Huang fue coautor del artículo con los investigadores postdoctorales Shifeng Nian y Cai.
Los polímeros reticulados están omnipresentes en los productos que utilizamos, desde neumáticos para automóviles hasta electrodomésticos, y se utilizan cada vez más en biomateriales y dispositivos para el cuidado de la salud.
Algunas de las aplicaciones que el equipo prevé para su material incluyen implantes protésicos y médicos, dispositivos electrónicos portátiles mejorados y “músculos” para sistemas robóticos blandos que necesitan doblarse, torcerse y estirarse repetidamente.
La rigidez y la extensibilidad (hasta qué punto un material puede estirarse o estirarse sin romperse) están relacionadas porque provienen del mismo bloque de construcción: hebras de polímero conectadas por enlaces cruzados. Tradicionalmente, la forma de endurecer una red polimérica es agregar más enlaces cruzados.
Esto hace que el material sea más rígido pero no resuelve el equilibrio entre rigidez y tracción. Las redes poliméricas con más enlaces cruzados son más rígidas, pero no tienen la misma libertad para cambiar de forma y se rompen fácilmente cuando se estiran.
Cai dijo: “Nuestro equipo se dio cuenta de que al diseñar polímeros de cepillos para botellas plegables que pueden almacenar longitud adicional en su estructura, podemos ‘duplicar’ la rigidez y la extensibilidad; en otras palabras, podemos aumentar la capacidad de estiramiento sin sacrificar la rigidez”, dijo Cai. “Nuestro enfoque es diferente porque se centra en el diseño molecular de hebras de red en lugar de enlaces cruzados”.
¿Cómo funciona el diseño plegable?
En lugar de hebras lineales de polímero, Cai tiene una estructura similar a la de un cepillo para botellas: muchas cadenas laterales flexibles emanan de una columna central.
Fundamentalmente, la columna puede colapsar y expandirse como un acordeón que se abre a medida que se expande. Cuando se estira el material, la longitud oculta dentro del polímero se abre, haciéndolo 40 veces más largo que los polímeros estándar sin debilitarse.
Mientras tanto, las cadenas laterales determinan la rigidez, lo que significa que, en última instancia, la rigidez y la capacidad de estiramiento se pueden controlar de forma independiente.
Esta es una estrategia “universal” para las redes de polímeros porque los componentes que componen la estructura del polímero del cepillo para botellas plegable no se limitan a tipos químicos específicos.
Por ejemplo, uno de estos diseños utiliza polímeros para las cadenas laterales que permanecen flexibles incluso a temperaturas frías. Pero el uso de un polímero sintético diferente, comúnmente utilizado en ingeniería de biomateriales, para las cadenas laterales puede producir un gel que puede imitar el tejido vivo.
Como muchos materiales nuevos desarrollados en el laboratorio de Cai, el polímero con cepillo para botellas plegable está diseñado para poder imprimirse en 3D. Esto también es cierto cuando se combinan con nanopartículas inorgánicas, que pueden diseñarse para exhibir propiedades eléctricas, magnéticas u ópticas complejas.
Por ejemplo, pueden incorporar nanopartículas conductoras, como nanobarras de plata u oro, que son importantes para la electrónica extensible y portátil.
“Estos componentes nos brindan infinitas opciones para diseñar materiales que equilibren la resistencia y la capacidad de estiramiento aprovechando las propiedades de las nanopartículas inorgánicas en función de necesidades específicas”, dijo Cai.
