Una vasta gamma di materiali a base di polimeri, dalla gomma per pneumatici e il neoprene della muta agli indumenti in lycra e silicone, sono elastomeri apprezzati per la loro capacità di flettersi e allungarsi senza rompersi e tornare alla loro forma originale.

Rendere questi materiali più forti di solito significa renderli più fragili. È perché, strutturalmente, gli elastomeri sono reti piuttosto informi di fili polimerici, spesso paragonati a un fascio di spaghetti disorganizzati, tenuti insieme da alcuni legami chimici incrociati. Il rafforzamento di un polimero richiede l'aumento della densità dei collegamenti incrociati tra i trefoli creando più collegamenti. Ciò fa sì che i fili dell'elastomero resistano all'allungamento l'uno dall'altro, conferendo al materiale una struttura più organizzata ma anche rendendolo più rigido e più soggetto a cedimenti.

Ispirato dal duro, fili bissali polimerici flessibili che le cozze marine usano per fissarsi alle superfici nella zona intertidale irregolare, un team di ricercatori affiliati al Materials Research Laboratory (MRL) dell'UC Santa Barbara ha sviluppato un metodo per superare il compromesso intrinseco tra resistenza e flessibilità nei polimeri elastomerici. I risultati del gruppo appaiono sulla rivista Scienza .

"Negli ultimi dieci anni, abbiamo fatto enormi progressi nella comprensione di come i materiali biologici mantengono la forza sotto carico, " ha detto l'autore corrispondente Megan Valentine, un professore associato nel Dipartimento di Ingegneria Meccanica dell'UCSB. "In questo documento, dimostriamo la nostra capacità di utilizzare tale comprensione per sviluppare materiali artificiali utili. Questo lavoro apre entusiasmanti percorsi di scoperta per molte applicazioni commerciali e industriali".

Gli sforzi precedenti ispirati anche dalla chimica della cuticola della cozza sono stati limitati a umido, sistemi morbidi come gli idrogel. Al contrario, i ricercatori dell'UCSB hanno incorporato i legami di coordinazione del ferro ispirati alle cozze in un sistema polimerico secco. Questo è importante perché un polimero così secco potrebbe potenzialmente sostituire materiali rigidi ma fragili, soprattutto nelle applicazioni relative all'impatto e alla torsione.

"Abbiamo scoperto che la rete bagnata era 25 volte meno rigida e si rompeva con un allungamento cinque volte più breve di una rete asciutta costruita in modo simile, " ha spiegato la co-autrice Emmanouela Filippidi, un ricercatore post-dottorato nel Valentine Lab dell'UCSB. "È un risultato interessante, ma previsto. Ciò che colpisce davvero è quello che è successo quando abbiamo confrontato la rete a secco prima e dopo l'aggiunta di ferro. Non solo ha mantenuto la sua elasticità, ma è diventato anche 800 volte più rigido e 100 volte più resistente in presenza di questi legami ferro-catecolo riconfigurabili. È stato inaspettato".

Per realizzare reti aventi architettura e prestazioni simili a quelle della cuticola bissale di cozza, il team ha sintetizzato un amorfo, rete epossidica reticolata in modo lasco e quindi trattata con ferro per formare reticolazioni dinamiche ferro-catecolo. In assenza di ferro, quando uno dei legami incrociati covalenti si rompe, è rotto per sempre, perché non esiste alcun meccanismo di autoguarigione. Ma quando sono presenti i legami di coordinazione reversibili ferro-catecolo, uno qualsiasi di quei collegamenti incrociati rotti contenenti ferro può riformarsi, non necessariamente esattamente nello stesso posto ma nelle vicinanze, mantenendo così la resilienza del materiale anche all'aumentare della sua resistenza. Il materiale è sia più rigido che più duro di reti simili prive di legami di coordinazione contenenti ferro.

Man mano che la rete ferro-catecolo è tesa, non immagazzina energia, quindi quando la tensione viene rilasciata, il materiale non rimbalza indietro come un elastico ma, piuttosto, dissipa l'energia. Il materiale poi si riprende lentamente per riprendere la sua forma originale, più o meno allo stesso modo di un materiale viscoelastico come il memory foam dopo aver rilasciato la pressione su di esso.

"Un materiale avente quella caratteristica, chiamato "plastica a dissipazione di energia, ' è utile per i rivestimenti, ", ha affermato il co-autore Thomas Cristiani, uno studente laureato della University of California nel gruppo Israelachvili. "Sarebbe un'ottima custodia per cellulare perché assorbirebbe una grande quantità di energia, quindi il telefono avrebbe meno probabilità di rompersi in caso di impatto con il pavimento e sarebbe protetto."

Il sistema a secco utilizzato dai ricercatori è importante per due motivi. In un sistema umido, la rete assorbe acqua, provocando l'allungamento delle catene polimeriche, quindi non rimane molta flessibilità in più. Ma con un materiale secco, le ciocche amorfe a spaghetti sono inizialmente molto compatte, con molto spazio per allungare. Quando i legami crociati del ferro vengono aggiunti per rafforzare il polimero, l'elasticità del materiale asciutto non è compromessa, perché quei legami possono spezzarsi, quindi le catene polimeriche non sono bloccate in posizione. Inoltre, rimuovere l'acqua dalla rete fa sì che il catecolo e il ferro siano più vicini e in grado di formare regioni ad alta connettività, che migliora le proprietà meccaniche.

"Questa differenza tra la risposta nei sistemi a umido e a secco è enorme e rende il nostro approccio un punto di svolta in termini di sintesi di materiali ingegneristici utili per applicazioni ad alto impatto, " disse Valentino.