I ricercatori dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign hanno migliorato la tecnica della polimerizzazione frontale, dove una piccola quantità di calore innesca un'onda di reazione in movimento che produce un materiale polimerico. Il nuovo metodo consente una gamma più ampia di materiali con un migliore controllo sulle loro proprietà termiche e meccaniche.

La carta, "Sintesi rapida di elastomeri e termoindurenti con proprietà termomeccaniche regolabili, " è stato pubblicato in Lettere macro ACS e selezionato come scelta degli editori di ACS.

"La maggior parte della ricerca precedente ha esaminato materiali più rigidi. Questo documento è la prima volta che la polimerizzazione frontale è stata utilizzata per sintetizzare un materiale gommoso, " ha detto Nancy Sottos, una cattedra di Maybelle Leland Swanlund e capo del dipartimento di scienza e ingegneria dei materiali, che guida anche l'Autonomous Materials Systems Group presso il Beckman Institute for Advanced Science and Technology. "La nuova tecnica ci consente di avere un maggiore controllo e realizza materiali con buone proprietà ingegneristiche in termini di resistenza e rigidità".

I ricercatori hanno utilizzato una miscela di due monomeri, 1, 5-cicloottadiene e diciclopentadiene, per creare materiali su misura per una vasta gamma di applicazioni.

"Questi materiali sono chimicamente simili a quelli usati nei pneumatici, " ha detto Leon Dean, uno studente laureato del Gruppo Sottos, che fa parte dell'AMS. "Convenzionalmente, la sintesi delle gomme richiede un solvente organico, più passaggi, e tanta energia, che non è ecologico. Il nostro metodo di produzione senza solventi accelera il processo e riduce il consumo di energia."

Utilizzando questa tecnica, i ricercatori sono stati in grado di realizzare materiali che dimostrano una mano polimerica a memoria di forma. L'effetto memoria di forma si verifica quando un polimero predeformato viene riscaldato oltre la sua temperatura di transizione vetrosa, che è il punto in cui il polimero cambia da duro, materiale vetroso ad un morbido, materiale gommoso. Il cambio di forma sequenziale è stato reso possibile dalle differenze di temperatura di transizione vetrosa tra ogni strato.

"Abbiamo realizzato un materiale a strati a forma di mano, dove ogni strato aveva quantità differenti dei due monomeri e quindi temperature di transizione vetrosa differenti, " disse Qiong Wu, un borsista post-dottorato nel Moore Group, che fa anche parte di AMS. "Quando riscaldi il polimero al di sopra della temperatura di transizione vetrosa più alta e poi lo raffreddi, forma un pugno. Mentre alzi di nuovo la temperatura, le dita del pugno si aprono in sequenza."

I ricercatori sperano di sviluppare ulteriormente questa tecnica migliorando il loro controllo sulle proprietà del polimero. "Anche se abbiamo dimostrato la sintonizzabilità di diverse proprietà su un'ampia gamma, rimane una sfida regolare ogni proprietà individualmente, " disse Wu.

"Aumentare la tecnica sarà anche una sfida, " Dean ha detto. "La maggior parte del nostro lavoro è stato svolto su scala di laboratorio. Però, nella produzione su larga scala, c'è una competizione tra la polimerizzazione in massa e la polimerizzazione frontale."

"Questo studio dimostra al meglio il Beckman Institute, " ha detto Jeff Moore, una sedia dotata di Ikenberry, un professore di chimica, e il direttore del Beckman Institute. "Ha riunito due gruppi che hanno prospettive diverse su un problema, ma condividono un obiettivo comune".

Omar Alshangiti, uno studente universitario del Moore Group, ha anche dato un contributo significativo allo studio studiando opportune combinazioni di monomeri, preparare la maggior parte dei campioni e misurare tutti i parametri del processo di polimerizzazione frontale.