Muchas lecciones aprendidas en la vida se aprenden de los árboles. Mantenerse firmes. Las cosas buenas toman tiempo. Doblar, no romper. Pero aparte de las metáforas, nuestros majestuosos vecinos arbóreos ofrecen una riqueza de sabiduría científica, y tenemos mucho que aprender.
Simplemente por existir, los árboles son los primeros científicos de materiales de la naturaleza. Como muchas plantas, tienen sistemas vasculares, redes de canales en forma de tubo que transportan agua y otros nutrientes vitales desde la raíz, la rama y la hoja.
Un equipo de investigación del Instituto Beckman de Ciencia y Tecnología Avanzadas desarrolló un proceso químico para crear polímeros espumados con sistemas vasculares propios, controlando la dirección y la alineación de los canales huecos para brindar soporte estructural y mover fluidos de manera eficiente a través del material.
Su trabajo, «Espumas anisotrópicas mediante polimerización frontal», se publicó en Materiales avanzados.
Estructura simplificada
Las espumas poliméricas son aislantes térmicos eficientes con aplicaciones que van desde el embalaje hasta la refrigeración y el aislamiento del hogar. Los canales huecos a menudo se forman durante el proceso de polimerización, pero los métodos existentes para ajustar su estructura, o convertirlos en algo parecido a un sistema vascular en funcionamiento, se basaban en técnicas e instrumentos complejos. Dirigido por Diego Alzate-Sánchez, este equipo buscó diseñar un método más simple.
«En nuestro grupo de investigación, observamos que estas estructuras similares a venas aparecían en los polímeros. Pero mientras que algunos científicos vieron los canales como vacíos que debilitan el polímero, nosotros los vimos como una oportunidad para crear algo productivo», dijo Alzate-Sánchez. , investigador asociado postdoctoral en el Instituto Beckman.
Para este equipo de la Universidad de Illinois, los canales naturales no eran motivo de alarma, sino una fuente de inspiración científica, o mejor dicho, bioinspiración.
escuchando las hojas
Mirando los robles y arces que salpican el campus de Urbana, los investigadores buscaron equipar la espuma polimérica con un sistema vascular que imitaba la estructura que se encuentra en los árboles. La organización del sistema canalizado en una estructura paralela permite el transporte de fluidos en una única dirección predeterminada.
«Piense en el tronco de un árbol», dijo Jeffrey Moore, director del Instituto Beckman y el investigador principal de este estudio. «El agua debe viajar en la dirección correcta, desde las raíces hasta las hojas. Debe ir del punto A al punto B de la manera más directa posible, no al punto C o a otro lugar completamente diferente».
Debido a que se favorece el movimiento en una dirección sobre el movimiento en otra, esta estructura se conoce como anisótropa o desigual. Imagine carriles de tráfico adyacentes en una carretera en dirección norte; viajar al este o al oeste es mucho más desafiante que ir con la corriente. Anteriormente, la mayoría de los sistemas vasculares incrustados en materiales de espuma seguían una estructura isotrópica, con los canales moviéndose por igual en todas las direcciones. Si la anisotropía es una autopista, la isotropía es una arena de autos de choque que se entrecruzan en caminos sinuosos y multidireccionales.
Más que fluidos
Para un científico de materiales, una vía vascular unidireccional brinda oportunidades únicas para conducir más que solo agua.
En este estudio, Alzate-Sánchez y su equipo demostraron el uso de los canales para transportar fluidos a través de los polímeros en una dirección predeterminada; De cara al futuro, la capacidad de fabricar un flujo direccional podría involucrar varias formas de energía.
«Los materiales con propiedades anisotrópicas son importantes. Por ejemplo, los aislantes térmicos anisotrópicos pueden conducir el calor en una dirección y bloquearlo en la dirección opuesta. Lo mismo ocurre con la electricidad, la luz o incluso el sonido. Dependiendo de cómo alinees la espuma, el sonido puede ir en una dirección, pero estará bloqueado en la otra dirección», dijo Alzate-Sánchez.
Volviéndose reactivo
Para determinar una forma de controlar la estructura celular de los materiales espumados, y en particular, la anisotropía forzada, el equipo analizó cada componente de la reacción química utilizada para crear el polímero.
La reacción comienza combinando un monómero llamado diciclopentadieno o DCPD; un catalizador; y un agente de soplado para ayudar a darle al producto final su consistencia similar a la espuma. Esta mezcla, denominada resina, se vierte en un tubo de ensayo. Calentar el tubo de ensayo desencadena la polimerización frontal, una reacción que cura, o endurece, la resina en un sólido celular espumoso. El producto final es poli-DCPD, habiéndose polimerizado el monómero original DCPD.
Tres de los ingredientes de la reacción estaban bajo escrutinio: el tipo de agente de soplado utilizado; la concentración del agente de expansión; y el tiempo de gelificación de la resina. La gelificación es causada por la polimerización de fondo y se refiere al tiempo de retraso antes de que se active la polimerización frontal, cuando la resina a temperatura ambiente gradualmente asume una consistencia blanda similar a un gel en el tubo de ensayo.
Los investigadores descubrieron que la viscosidad de la resina, o su fluidez, un resultado directo de su ablandamiento durante el período de gelificación, es el indicador más fuerte de anisotropía en el producto final. En otras palabras, aumentar o disminuir el tiempo de gelificación permite un control directo sobre la estructura celular de la espuma.
«Este trabajo proporciona una forma rápida y eficiente de crear estructuras vasculares direccionales a partir de componentes y procesos simples», dijo Moore.
El diseño experimental factorial completo del equipo implicó probar metódicamente 100 combinaciones diferentes de agente de expansión, concentración y tiempo de gelificación, y medir los niveles de anisotropía, dureza y grado de porosidad logrados con cada variación.
Un esfuerzo colaborativo
Cada muestra de espuma se analizó con microtomografía computarizada de rayos X. La combinación novedosa de espuma polimérica con imágenes de micro-CT, una tecnología típicamente reservada para analizar materiales duros, fue una empresa de colaboración única que involucró a la coautora Mariana Kersh, profesora asociada de ciencia mecánica e ingeniería.
«Lo que Beckman hace bien es fomentar una cultura en la que reconocemos que tenemos mucho que aprender unos de otros, incluso si nuestras aplicaciones son diferentes», dijo Kersh. «Este intercambio y la voluntad de aprender sobre algo que no sea su área central significó que la idea de que nuestras herramientas en hueso podrían usarse para caracterizar la porosidad en espumas de repente parecía obvia e intuitiva».
Además de Alzate-Sanchez, Moore y Kersh, los coautores de este estudio incluyen al asistente de investigación graduado Morgan Cencer, el recién graduado en ciencia e ingeniería de materiales Michael Rogalski y Nancy Sottos, la cátedra de ciencia e ingeniería de materiales de la UIUC de Maybelle Leland Swanlund.
