Nel mondo dei materiali, rigidità ed elasticità si trovano solitamente alle estremità opposte del continuum. Tipicamente, più un materiale è elastico, meno è in grado di sopportare carichi e resistere alle forze. Più è rigido, più è incline a rompersi a sollecitazioni inferiori quando il carico o la forza superano la sua capacità. Un obiettivo per molti scienziati dei materiali è creare un materiale che riunisca il meglio di entrambi i mondi.

All'UC Santa Barbara, gli scienziati si sono avvicinati di un passo a tale obiettivo. In uno studio pubblicato di recente, autori Kayetan Chorazewicz, Sameer Sundrani e Kollbe Ahn descrivono un meccanismo mediante il quale un materiale può essere reso altamente estensibile senza sacrificare la sua forza e rigidità. La carta, "Gradienti funzionali bioispirati per l'aumento della tenacità nei sistemi di polimeri sintetici, " appare sul giornale Chimica e fisica macromolecolare .

Per ispirazione, i ricercatori non hanno guardato oltre la spiaggia.

"Si possono vedere sia la rigidità che l'estensibilità con i fili di bisso delle cozze, " ha detto il co-autore Chorazewicz. Le cozze trascorrono la loro vita nella zona intertidale rocciosa, dove la loro capacità di resistere è una questione di vita o di morte. I fili che trasudano sulle rocce devono essere sufficientemente estensibili per consentire loro di trovare la "presa" appropriata su superfici irregolari e assorbire il costante martellamento delle onde, eppure sufficientemente rigido da impedire alle cozze stesse di rimbalzare nelle correnti e sbattere contro le strutture a cui sono fissate. La combinazione ottimale delle due qualità è tra i segreti del loro successo in un ambiente così variabile e inospitale.

Prendendo spunto dai molluschi, i ricercatori hanno progettato un materiale classificato funzionalmente, una classe relativamente nuova di materiali che sfrutta le differenze nelle loro composizioni, per creare una versione sintetica dei fili di bisso delle cozze che non solo riduce al minimo il compromesso tra flessibilità e forza, ma può essere utilizzato anche in ambienti umidi.

La chiave di questa tecnologia è una combinazione reticolata del monomero benzil acrilato (BZA) con trietilenglicole dimetacrilato (TEGDMA), un polimero comune utilizzato nei riempitivi per restauro dentale. reticolazione, secondo i ricercatori, invece di creare un "sandwich" di singoli strati di BZA o TEGDMA, conferisce al materiale risultante capacità che nessuno dei due da solo avrebbe:la capacità di resistere alle sollecitazioni a un'ampia gamma di temperature, e la capacità di sopportare carichi. La combinazione di copolimero può essere ulteriormente regolata in modo tale che i suoi strati abbiano diversi livelli di elasticità nello stesso modo in cui i fili di bisso mostrano un gradiente di elasticità che cambia dal suo nucleo di fibra di collagene morbida alla sua cuticola esterna dura. In questo modo, le sollecitazioni al materiale possono essere assorbite in modo efficace o resistono completamente.

"Può anche impedire che eventuali fratture si propaghino in tutto il materiale, ", ha detto il co-autore Sundrani. Se ci fosse uno stress eccessivo, l'energia di deformazione verrebbe reindirizzata e confinata e parte del materiale potrebbe essere sacrificato in una "delaminazione benefica" che eviterebbe il cedimento dell'intera struttura.

Questa tecnologia ha una vasta gamma di applicazioni.

"In questi giorni, sempre più materiali vengono sostituiti da polimeri ingegnerizzati, " ha detto l'anziano del giornale, autore corrispondente Ahn, che ha lavorato a lungo con polimeri biomimetici ispirati alle cozze. "Possiamo immaginare qualsiasi materiale a base di polimeri che richieda un carico, " Ha aggiunto, comprese le plastiche più dure, dispositivi di protezione come caschi, parti di costruzione e aerei più durevoli, componenti per veicoli e imbarcazioni.

Inoltre, i campi della medicina, bioingegneria, la bioelettronica e persino la robotica morbida potrebbero trarre vantaggio da tali materiali classificati dal punto di vista funzionale, che potrebbe essere utilizzato per realizzare protesi, articolazioni e organi artificiali, o attuatori e macchine soft.

"Un'altra applicazione ampiamente pratica sarebbe quella di applicare materiali classificati come i nostri ai rivestimenti su materiali già esistenti piuttosto che sostituirli completamente, Per esempio, plastiche rigide o addirittura impianti biomedici, " ha detto Sundrani.

"Ciò che suggeriscono i nostri materiali classificati funzionalmente, " ha osservato Chorazewicz, "è una nuova classe di materiali per soddisfare un'ampia varietà di questi ruoli piuttosto che una nicchia specifica e poiché questi materiali sono sintonizzabili, possono essere duri o morbidi quanto necessario per l'uso previsto."

Questo documento è il risultato di una collaborazione unica ispirata al Research Mentorship Program (RMP) dell'UCSB, un programma di sessioni estive che abbina ragazzi e anziani di alto livello delle scuole superiori a ricercatori universitari per condurre ricerche originali. Al momento in cui hanno iniziato questa ricerca, sia Chorazewicz che Sundrani erano studenti delle superiori. Grazie alla loro spinta insolita e al continuo tutoraggio e guida forniti da Ahn oltre le sei settimane con RMP, gli autori junior di questo articolo sono stati in grado di condurre ricerche, scrivono il loro articolo e pubblicano su una rivista scientifica sottoposta a peer review prima ancora di iniziare la loro carriera universitaria. Chorazewicz e Sundrani danno credito ad Ahn per il suo livello di coinvolgimento nelle loro nascenti e promettenti carriere scientifiche e ingegneristiche, mentre Ahn riconosce la dedizione dei suoi ex studenti RMP.