Equipe resolve um desafio de quase 200 anos em polímeros para oferecer controle independente de rigidez e elasticidade

Pesquisadores da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da Universidade da Virgínia desenvolveram um novo design de polímero que parece reescrever o livro sobre engenharia de polímeros. Já não é dogma que quanto mais rígido for um materials polimérico, menos extensível ele deverá ser.

“Estamos enfrentando um desafio elementary que se considera impossível de resolver desde a invenção da borracha vulcanizada em 1839”, disse Liheng Cai, professor assistente de ciência e engenharia de materiais e engenharia química.

Foi quando Charles Goodyear descobriu acidentalmente que o aquecimento borracha pure com enxofre criou ligações cruzadas químicas entre as moléculas de borracha semelhantes a fios. Este processo de reticulação cria um rede de polímerotransformando a borracha pegajosa, que derrete e flui com o calor, em um materials elástico e durável.

Desde então, acredita-se que se você quiser tornar um materials de rede polimérica rígido, terá que sacrificar alguma elasticidade.

Isto é, até a equipe de Cai, liderada pelo Ph.D. o estudante Baiqiang Huang provou o contrário com suas novas “redes dobráveis ​​de polímero de escova para garrafas”. Seu trabalho, “Uma estratégia common para dissociar rigidez e extensibilidade de redes de polímeros”, está na capa da edição de 27 de novembro da Avanços da Ciência.

‘Desacoplando’ rigidez e elasticidade

“Essa limitação impediu o desenvolvimento de materiais que precisam ser elásticos e rígidos, forçando os engenheiros a escolher uma propriedade em detrimento da outra”, disse Huang. “Think about, por exemplo, um implante cardíaco que se dobra e flexiona a cada batimento cardíaco, mas que ainda dura anos”.

Huang foi o primeiro autor do artigo com o pesquisador de pós-doutorado Shifeng Nian e Cai.

Os polímeros reticulados estão presentes em todos os produtos que utilizamos, desde pneus de automóveis a eletrodomésticos – e são cada vez mais utilizados em biomateriais e dispositivos de cuidados de saúde.

Algumas aplicações que a equipe prevê para seu materials incluem próteses e implantes médicos, eletrônicos vestíveis aprimorados e “músculos” para sistemas robóticos leves que precisam flexionar, dobrar e esticar repetidamente.

Rigidez e extensibilidade – até que ponto um materials pode esticar ou expandir sem quebrar – estão ligadas porque se originam do mesmo bloco de construção: os fios de polímero conectados por ligações cruzadas. Tradicionalmente, a maneira de fortalecer uma rede polimérica é adicionar mais ligações cruzadas.

Isso enrijece o materials, mas não resolve o compromisso entre rigidez e elasticidade. Redes de polímero com mais ligações cruzadas são mais rígidas, mas não têm a mesma liberdade de deformação e quebram facilmente quando esticadas.

“Nossa equipe percebeu que, ao projetar polímeros de escova para garrafas dobráveis ​​​​que poderiam armazenar comprimento additional dentro de sua própria estrutura, poderíamos ‘desacoplar’ rigidez e extensibilidade – em outras palavras, aumentar a elasticidade sem sacrificar a rigidez”, disse Cai. “Nossa abordagem é diferente porque se concentra no design molecular das cadeias da rede, em vez de nas ligações cruzadas.”

Como funciona o design dobrável

Em vez de filamentos lineares de polímero, a estrutura de Cai se assemelha a uma escova de garrafa – muitas cadeias laterais flexíveis irradiando de uma espinha dorsal central.

Criticamente, a espinha dorsal pode entrar em colapso e expandir-se como um acordeão que se desdobra à medida que se estica. Quando o materials é puxado, o comprimento oculto dentro do polímero se desenrola, permitindo que ele se alongue até 40 vezes mais que os polímeros padrão sem enfraquecer.

Enquanto isso, as cadeias laterais determinam a rigidez, o que significa que a rigidez e a elasticidade podem finalmente ser controladas de forma independente.

Esta é uma estratégia “common” para redes poliméricas porque os componentes que compõem a estrutura polimérica dobrável da escova para garrafas não estão restritos a tipos químicos específicos.

Por exemplo, um de seus projetos utiliza um polímero para as cadeias laterais que permanece flexível mesmo em temperaturas frias. Mas usar um polímero sintético diferente, comumente usado na engenharia de biomateriais, para as cadeias laterais pode produzir um gel que pode imitar tecido vivo.

Como muitos dos novos materiais desenvolvidos no laboratório de Cai, o polímero dobrável para garrafas foi projetado para ser impresso em 3D. Isto é verdade mesmo quando misturado com nanopartículas inorgânicas, que podem ser projetadas para exibir intrincadas propriedades elétricas, magnéticas ou propriedades ópticas.

Por exemplo, eles podem adicionar nanopartículas condutoras, como nanobastões de prata ou ouro, que são essenciais para eletrônicos extensíveis e vestíveis.

“Esses componentes nos dão infinitas opções para projetar materiais que equilibrem resistência e elasticidade, ao mesmo tempo em que aproveitam as propriedades das nanopartículas inorgânicas com base em requisitos específicos”, disse Cai.