Badacze UVa opracowali polimer, który wymyka się tradycyjnym kompromisom między sztywnością a rozciągliwością, umożliwiając nowe zastosowania w technologii i medycynie.
Przełomowy nowy projekt polimeru opracowany przez naukowców ze Szkoły Inżynierii i Nauk Stosowanych Uniwersytetu Wirginii obalił długotrwałe przekonanie, że sztywniejsze materiały polimerowe muszą być mniej rozciągliwe.
„Stoimy przed zasadniczym wyzwaniem, które od czasu wynalezienia wulkanizowanej gumy w 1839 r. uważano za niemożliwe do rozwiązania” – powiedział Liheng Cai, adiunkt w dziedzinie nauk o materiałach i inżynierii chemicznej.
To właśnie wtedy Charles Goodyear przypadkowo odkrył, że ogrzewanie naturalnego kauczuku za pomocą siarki tworzy chemiczne wiązania poprzeczne pomiędzy cząsteczkami gumy przypominającymi pasma. Ten proces sieciowania tworzy sieć polimerową, przekształcając lepką gumę, która topi się i płynie pod wpływem ciepła, w trwały, elastyczny materiał.
Od tego czasu uważa się, że jeśli chcesz, aby materiał sieciowy polimerowy był sztywny, musisz poświęcić pewną rozciągliwość.
Teraz zespół Cai, kierowany przez dr. student Baiqiang Huang obalił ten pogląd za pomocą swoich nowych „składanych sieci polimerowych szczotek do butelek”. Ich praca, ufundowana przez nagrodę CAREER przyznawaną przez Cai National Science Foundation CAREER, pojawiła się na okładce magazynu z 27 listopada Postęp nauki.
„Test rozciągania” pokazuje, jak szybko konwencjonalna sieć polimerowa rozpada się pod napięciem. Źródło: Liheng Cai, Baiqiang Huang/Softbiomatter Lab, Szkoła Inżynierii i Nauk Stosowanych Uniwersytetu Wirginii
„Oddzielenie” sztywności i rozciągliwości
„To ograniczenie wstrzymuje rozwój materiałów, które muszą być zarówno rozciągliwe, jak i sztywne, zmuszając inżynierów do wybierania jednej właściwości kosztem drugiej” – powiedział Huang, który jest pierwszym autorem artykułu wraz z badaczami ze stopniem doktora Shifeng Nian i Cai. „Wyobraźmy sobie na przykład implant serca, który wygina się i zgina przy każdym uderzeniu serca, a mimo to działa latami”.
Usieciowane polimery występują wszędzie w używanych przez nas produktach, od opon samochodowych po sprzęt gospodarstwa domowego, a także są coraz częściej stosowane w biomateriałach i urządzeniach służących ochronie zdrowia.
Zespół przewiduje, że niektóre zastosowania ich materiału obejmują protetykę i implanty medyczne, ulepszoną elektronikę do noszenia oraz „mięśnie” w miękkich systemach robotycznych, które muszą wielokrotnie zginać się, zginać i rozciągać.
Sztywność i rozciągliwość – czyli to, jak bardzo materiał może się rozciągnąć lub rozszerzyć bez pękania – są ze sobą powiązane, ponieważ pochodzą z tego samego elementu budulcowego: pasm polimeru połączonych wiązaniami poprzecznymi. Tradycyjnym sposobem usztywnienia sieci polimerowej jest dodanie większej liczby wiązań poprzecznych.
Usztywnia to materiał, ale nie rozwiązuje problemu kompromisu między sztywnością a rozciągliwością. Sieci polimerowe z większą liczbą usieciowań są sztywniejsze, ale nie mają takiej samej swobody odkształcania się i łatwo pękają przy rozciąganiu.
„Nasz zespół zdał sobie sprawę, że projektując składane polimery szczotek do butelek, które mogą przechowywać dodatkową długość w swojej własnej strukturze, możemy „oddzielić” sztywność od rozciągliwości — innymi słowy, zwiększyć rozciągliwość bez utraty sztywności” – powiedział Cai. „Nasze podejście jest inne, ponieważ koncentruje się na molekularnym projekcie pasm sieci, a nie na wiązaniach poprzecznych”.
Materiał polimerowy wykonany przy użyciu „składanych sieci polimerowych szczotek do butelek” laboratorium Cai może rozciągać się aż 40 razy bardziej niż konwencjonalne usieciowane materiały polimerowe. Źródło: Liheng Cai, Baiqiang Huang/Softbiomatter Lab, Szkoła Inżynierii i Nauk Stosowanych Uniwersytetu Wirginii
Jak działa składana konstrukcja
Zamiast liniowych pasm polimeru, struktura Cai przypomina szczotkę do butelek – wiele elastycznych łańcuchów bocznych rozchodzi się promieniście od centralnego szkieletu.
Co najważniejsze, kręgosłup może się zapaść i rozszerzyć jak akordeon, który rozwija się podczas rozciągania. Kiedy materiał jest rozciągany, ukryta długość wewnątrz polimeru rozwija się, umożliwiając mu wydłużenie do 40 razy większe niż standardowe polimery bez osłabienia.
Tymczasem łańcuchy boczne decydują o sztywności, co oznacza, że sztywność i rozciągliwość można w końcu kontrolować niezależnie.
Jest to „uniwersalna” strategia dla sieci polimerowych, ponieważ elementy tworzące polimerową strukturę składanej szczotki do butelek nie są ograniczone do określonych typów substancji chemicznych.
Na przykład w jednym z ich projektów zastosowano polimer w łańcuchach bocznych, który pozostaje elastyczny nawet w niskich temperaturach. Jednakże użycie innego syntetycznego polimeru, powszechnie stosowanego w inżynierii biomateriałów, w przypadku łańcuchów bocznych może wytworzyć żel, który może naśladować żywą tkankę.
Podobnie jak wiele nowatorskich materiałów opracowanych w laboratorium Cai, składany polimer szczoteczki do butelek został zaprojektowany tak, aby można go było wydrukować w 3D. Dzieje się tak nawet w przypadku zmieszania z nieorganicznymi nanocząsteczkami, które można zaprojektować tak, aby wykazywały skomplikowane właściwości elektryczne, magnetyczne lub optyczne.
Mogą na przykład dodać przewodzące nanocząstki, takie jak nanopręty srebra lub złota, które mają kluczowe znaczenie w przypadku rozciągliwej i nadającej się do noszenia elektroniki.
„Te komponenty dają nam nieograniczone możliwości projektowania materiałów, które równoważą wytrzymałość i rozciągliwość, jednocześnie wykorzystując właściwości nieorganicznych nanocząstek w oparciu o określone wymagania” – powiedział Cai.
Odniesienie: „Uniwersalna strategia oddzielenia sztywności i rozciągliwości sieci polimerowych” autorstwa Baiqiang Huang, Shifeng Nian i Li-Heng Cai, 27 listopada 2024 r., Postęp nauki.
DOI: 10.1126/sciadv.adq3080
