Un equipo de químicos del MIT y la Universidad de Duke ha descubierto una forma contradictoria de fortalecer los polímeros: introducir algunos enlaces más débiles en el material.
Al trabajar con un tipo de polímero conocido como elastómeros de poliacrilato, los investigadores descubrieron que podían aumentar hasta diez veces la resistencia de los materiales al desgarro, simplemente usando un tipo de reticulante más débil para unir algunos de los componentes básicos del polímero.
Estos polímeros similares al caucho se usan comúnmente en piezas de automóviles y también se usan a menudo como «tinta» para objetos impresos en 3D. Los investigadores ahora están explorando la posible expansión de este enfoque a otros tipos de materiales, como los neumáticos de caucho.
«Si pudieras hacer una llanta de goma 10 veces más resistente al desgarro, eso podría tener un impacto dramático en la vida útil de la llanta y en la cantidad de desechos microplásticos que se desprenden», dice Jeremiah Johnson, profesor de química en el MIT y uno de los autores principales del estudio, que aparece hoy en Ciencia.
Una ventaja significativa de este enfoque es que no parece alterar ninguna de las otras propiedades físicas de los polímeros.
«Los ingenieros de polímeros saben cómo hacer que los materiales sean más duros, pero invariablemente implica cambiar alguna otra propiedad del material que no desea cambiar. Aquí, la mejora de la dureza viene sin ningún otro cambio significativo en las propiedades físicas, al menos que puede medir, y se logra mediante el reemplazo de solo una pequeña fracción del material total», dice Stephen Craig, profesor de química en la Universidad de Duke, quien también es autor principal del artículo.
Este proyecto surgió de una colaboración de larga data entre Johnson, Craig y el profesor de la Universidad de Duke, Michael Rubinstein, quien también es autor principal del artículo. El autor principal del artículo es Shu Wang, un postdoctorado del MIT que obtuvo su doctorado en Duke.
El eslabón más débil
Los elastómeros de poliacrilato son redes de polímeros hechas de hilos de acrilato que se mantienen unidos mediante moléculas de enlace. Estos bloques de construcción se pueden unir de diferentes maneras para crear materiales con diferentes propiedades.
Una arquitectura que se usa a menudo para estos polímeros es una red de polímeros en estrella. Estos polímeros están hechos de dos tipos de bloques de construcción: uno, una estrella con cuatro brazos idénticos, y el otro, una cadena que actúa como un enlace. Estos enlazadores se unen al final de cada brazo de las estrellas, creando una red que se asemeja a una red de voleibol.
En un estudio de 2021, Craig, Rubinstein y el profesor del MIT Bradley Olsen se unieron para medir la resistencia de estos polímeros. Como esperaban, descubrieron que cuando se usaban conectores finales más débiles para mantener unidas las hebras de polímero, el material se debilitaba. Esos enlazadores más débiles, que contienen moléculas cíclicas conocidas como ciclobutano, pueden romperse con mucha menos fuerza que los enlazadores que normalmente se usan para unir estos bloques de construcción.
Como seguimiento de ese estudio, los investigadores decidieron investigar un tipo diferente de red de polímeros en la que las hebras de polímero se entrecruzan con otras hebras en ubicaciones aleatorias, en lugar de unirse en los extremos.
Esta vez, cuando los investigadores utilizaron conectores más débiles para unir los componentes básicos de acrilato, descubrieron que el material se volvió mucho más resistente al desgarro.
Los investigadores creen que esto ocurre porque los enlaces más débiles se distribuyen aleatoriamente como uniones entre hebras fuertes en todo el material, en lugar de ser parte de las hebras finales. Cuando este material se estira hasta el punto de ruptura, cualquier grieta que se propague a través del material intenta evitar los enlaces más fuertes y, en su lugar, atravesar los enlaces más débiles. Esto significa que la grieta tiene que romper más enlaces de los que rompería si todos los enlaces tuvieran la misma fuerza.
«Aunque esos lazos son más débiles, más de ellos terminan necesitando romperse, porque la grieta abre un camino a través de los lazos más débiles, lo que termina siendo un camino más largo», dice Johnson.
materiales duros
Utilizando este enfoque, los investigadores demostraron que los poliacrilatos que incorporaban algunos enlazadores más débiles eran entre nueve y diez veces más difíciles de romper que los poliacrilatos fabricados con moléculas de entrecruzamiento más fuertes. Este efecto se logró incluso cuando los entrecruzadores débiles formaban solo alrededor del 2 por ciento de la composición total del material.
Los investigadores también demostraron que esta composición alterada no alteró ninguna de las otras propiedades del material, como la resistencia a la descomposición cuando se calienta.
«Que dos materiales tengan la misma estructura y las mismas propiedades a nivel de red, pero tengan una diferencia de casi un orden de magnitud en el desgarro, es bastante raro», dice Johnson.
Los investigadores ahora están investigando si este enfoque podría usarse para mejorar la dureza de otros materiales, incluido el caucho.
«Hay mucho que explorar aquí sobre qué nivel de mejora se puede obtener en otros tipos de materiales y cuál es la mejor manera de aprovecharlo», dice Craig.
