I ricercatori hanno trovato un nuovo approccio per ridurre il numero di anelli (rossi) in un polimero. Il metodo potrebbe offrire un modo semplice per i produttori di materiali utili a livello industriale come plastica o gel per rafforzare i loro materiali. Credito:Massachusetts Institute of Technology
Plastica, gomma, e molti altri materiali utili sono costituiti da polimeri, lunghe catene disposte in una rete reticolata. A livello molecolare, queste reti polimeriche contengono difetti strutturali che le indeboliscono.
Diversi anni fa, I ricercatori del MIT sono stati i primi a misurare alcuni tipi di questi difetti, chiamato "loop, " che sono causati quando una catena nella rete polimerica si lega a se stessa invece che a un'altra catena. Ora, gli stessi ricercatori hanno trovato un modo semplice per ridurre il numero di anelli in una rete polimerica e quindi rafforzare i materiali realizzati con polimeri.
Per realizzare questo, i ricercatori aggiungono semplicemente molto lentamente uno dei componenti della rete polimerica a una grande quantità del secondo componente. Utilizzando questo approccio, sono stati in grado di dimezzare il numero di anelli, in una varietà di diverse strutture di reti polimeriche. Ciò potrebbe offrire un modo semplice per i produttori di materiali utili a livello industriale come plastica o gel per rafforzare i loro materiali.
"Semplicemente cambiando la velocità con cui aggiungi un componente all'altro, puoi migliorare le proprietà meccaniche, " dice Jeremiah A. Johnson, il Professore Associato di Chimica per lo sviluppo della carriera di Firmenich al MIT e l'autore senior dell'articolo.
Lo studente laureato del MIT Yuwei Gu è il primo autore del documento, che appare in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze la settimana del 24 aprile.
Altri autori sono il professore associato di ingegneria chimica al MIT Bradley Olsen; lo studente laureato del MIT Ken Kawamoto; gli ex postdoc del MIT Mingjiang Zhong e Mao Chen; Michael Hore, assistente professore della Case Western Reserve University; lo studente laureato della Case Western Reserve Alex Jordan; e l'ex professore in visita al MIT e professore associato della Case Western Reserve LaShanda Korley.
Controllo dei loop
Nel 2012, Il gruppo di Johnson ha ideato il primo modo per misurare il numero di anelli in una rete polimerica e ha convalidato questi risultati con le previsioni teoriche di Olsen. I ricercatori hanno scoperto che i loop possono costituire da circa il 9% a quasi il 100% della rete, a seconda della concentrazione delle catene polimeriche nel materiale di partenza e di altri fattori.
Pochi anni dopo, Johnson e Olsen hanno sviluppato un modo per calcolare quanto questi anelli indeboliscano un materiale. Nel loro ultimo lavoro, hanno deciso di ridurre la formazione di loop, e per ottenere ciò senza modificare la composizione dei materiali.
"L'obiettivo che ci siamo prefissati era di prendere lo stesso set di precursori per un materiale che si userebbe normalmente, e, utilizzando esattamente gli stessi precursori nelle stesse condizioni e alla stessa concentrazione, creare un materiale con meno anelli, " dice Johnson.
In questo documento, i ricercatori si sono inizialmente concentrati su un tipo di struttura polimerica nota come rete polimerica a stella. Questo materiale ha due diversi elementi costitutivi:una stella con quattro bracci identici, noto come "B4, " e una catena nota come "A2". Ogni molecola di A2 si attacca all'estremità di uno dei bracci B4. Tuttavia, durante il tipico processo di sintesi, quando tutto è mescolato insieme in una volta, alcune delle catene A2 finiscono per legarsi a due dei bracci B4, formando un anello.
I ricercatori hanno scoperto che se aggiungevano B4 molto lentamente a una soluzione di A2, ciascuno dei bracci B4 reagirebbe rapidamente con una singola molecola di A2, quindi c'erano meno opportunità per A2 di formare anelli.
Dopo alcune ore di aggiunta lenta di metà della soluzione B4, hanno aggiunto la seconda metà tutta in una volta, e le subunità a forma di stella unite insieme per formare una rete reticolata. Questo materiale, i ricercatori hanno scoperto, aveva circa la metà dei loop dello stesso materiale prodotto con il tradizionale processo di sintesi.
A seconda di quanti loop c'erano nel materiale originale, questa strategia "lento e poi veloce" può migliorare la resistenza del materiale fino al 600 percento, dice Johnson.
Prodotti migliori
I ricercatori hanno anche provato questa tecnica con altri quattro tipi di reazioni di sintesi della rete polimerica. Non sono stati in grado di misurare il numero di loop per tutti quei tipi di polimeri, ma hanno trovato miglioramenti simili nella resistenza dei materiali.
Questo approccio potrebbe potenzialmente aiutare a migliorare la resistenza di qualsiasi materiale costituito da un gel o da un altro polimero reticolato, compresa la plastica, membrane per la depurazione dell'acqua, adesivi in resina epossidica, o idrogel come le lenti a contatto.
Il laboratorio di Johnson sta ora lavorando per applicare questa strategia a una varietà di materiali, compresi i gel utilizzati per far crescere le cellule per l'ingegneria dei tessuti.