12.10.2021 - Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences

Un polímero elástico, rígido y resistente a la vez, resuelve un viejo dilema

Materiales poliméricos más sostenibles y duraderos podrían reducir el consumo de plásticos

La ciencia de los polímeros ha hecho posibles los neumáticos de caucho, el teflón y el kevlar, las botellas de agua de plástico y las chaquetas de nailon, entre otros muchos elementos omnipresentes en la vida cotidiana. Los polímeros elásticos, conocidos como elastómeros, pueden estirarse y soltarse repetidamente y se utilizan en aplicaciones como guantes y válvulas cardíacas, donde deben durar mucho tiempo sin romperse. Pero los científicos especializados en polímeros llevan mucho tiempo sin resolver un problema: Los polímeros elásticos pueden ser rígidos o resistentes, pero no pueden ser ambas cosas.

Este conflicto entre rigidez y dureza es un reto para los científicos que desarrollan polímeros que podrían utilizarse en aplicaciones como la regeneración de tejidos, los bioadhesivos, la bioimpresión, la electrónica portátil y los robots blandos.

En un artículo publicado en Science, investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson (SEAS) de Harvard han resuelto ese antiguo conflicto y han desarrollado un elastómero que es a la vez rígido y resistente.

"Además de desarrollar polímeros para aplicaciones emergentes, los científicos se enfrentan a un reto urgente: la contaminación por plásticos", afirma Zhigang Suo, catedrático de Mecánica y Materiales Allen E. y Marilyn M. Puckett, autor principal del estudio. "El desarrollo de los polímeros biodegradables nos ha devuelto a las preguntas fundamentales: ¿por qué algunos polímeros son resistentes y otros frágiles? ¿Cómo podemos hacer que los polímeros resistan el desgarro bajo un estiramiento repetido?".

Las cadenas de polímeros se forman enlazando bloques de construcción de monómeros. Para que un material sea elástico, las cadenas de polímeros se entrecruzan mediante enlaces covalentes. Cuantos más enlaces cruzados haya, más cortas serán las cadenas de polímeros y más rígido será el material.

"A medida que las cadenas de polímeros se hacen más cortas, la energía que se puede almacenar en el material es menor y el material se vuelve frágil", explica Junsoo Kim, estudiante de posgrado en SEAS y coprimer autor del artículo. "Si sólo tienes unos pocos enlaces cruzados, las cadenas son más largas y el material es resistente, pero es demasiado blando para ser útil".

Para desarrollar un polímero que sea a la vez rígido y resistente, los investigadores recurrieron a enlaces físicos, en lugar de químicos, para unir las cadenas de polímeros. Estos enlaces físicos, denominados enredos, se conocen desde que existe la ciencia de los polímeros, pero se pensaba que sólo afectaban a la rigidez, no a la resistencia.

Sin embargo, el equipo de investigación de SEAS descubrió que, con suficientes enredos, un polímero podía volverse resistente sin comprometer su rigidez. Para crear polímeros altamente enredados, los investigadores utilizaron una solución precursora de monómeros concentrada con 10 veces menos agua que otras recetas de polímeros.

"Al aglomerar todos los monómeros en esta solución con menos agua y luego polimerizarla, los forzamos a enredarse, como si fueran hilos enmarañados", explica Guogao Zhang, becario postdoctoral en SEAS y cofundador del artículo. "Al igual que ocurre con los tejidos de punto, los polímeros mantienen su conexión entre sí al estar físicamente entrelazados".

Con cientos de estos enredos, sólo se necesita un puñado de enlaces químicos para mantener la estabilidad del polímero.

"Como elastómeros, estos polímeros tienen una gran tenacidad, fuerza y resistencia a la fatiga", explica Meixuanzi Shi, profesor visitante de SEAS y coautor del artículo. "Cuando los polímeros se sumergen en agua para convertirse en hidrogeles, tienen una baja fricción y una alta resistencia al desgaste".

Esa alta resistencia a la fatiga y al desgaste aumenta la durabilidad y la vida útil de los polímeros.

"Nuestra investigación demuestra que, utilizando enredos en lugar de enlaces cruzados, podríamos disminuir el consumo de algunos plásticos aumentando la durabilidad de los materiales", dijo Zhang.

"Esperamos que esta nueva comprensión de la estructura de los polímeros amplíe las oportunidades de aplicación y allane el camino hacia materiales poliméricos más sostenibles y duraderos con estas excepcionales propiedades mecánicas", dijo Kim.

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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