La scienza dei polimeri ha reso possibili pneumatici in gomma, Teflon e Kevlar, bottiglie di acqua di plastica, giacche di nylon tra molte altre caratteristiche onnipresenti della vita quotidiana. polimeri elastici, noti come elastomeri, possono essere allungati e rilasciati ripetutamente e sono utilizzati in applicazioni come guanti e valvole cardiache, dove devono durare a lungo senza strapparsi. Ma un enigma ha a lungo lasciato perplessi gli scienziati dei polimeri:i polimeri elastici possono essere rigidi, oppure possono essere dure, ma non possono essere entrambi.

Questo conflitto tra rigidità e tenacità è una sfida per gli scienziati che sviluppano polimeri che potrebbero essere utilizzati in applicazioni tra cui la rigenerazione dei tessuti, bioadesivi, biostampa, elettronica indossabile, e robot morbidi.

In un articolo pubblicato oggi in Scienza , i ricercatori della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) hanno risolto questo conflitto di lunga data e hanno sviluppato un elastomero che è allo stesso tempo rigido e resistente.

"Oltre a sviluppare polimeri per applicazioni emergenti, gli scienziati stanno affrontando una sfida urgente:inquinamento da plastica, " disse Zhigang Suo, l'Allen E. e Marilyn M. Puckett Professore di Meccanica e Materiali, l'autore senior dello studio. "Lo sviluppo di polimeri biodegradabili ci ha riportato ancora una volta a domande fondamentali:perché alcuni polimeri sono duri, ma altri fragili? Come facciamo in modo che i polimeri resistano allo strappo sotto ripetuti stiramenti?"

Le catene polimeriche sono realizzate collegando tra loro blocchi costitutivi di monomeri. Per rendere elastico un materiale, le catene polimeriche sono reticolate da legami covalenti. Più legami incrociati, più corte sono le catene polimeriche e più rigido è il materiale.

"Man mano che le tue catene polimeriche si accorciano, l'energia che puoi immagazzinare nel materiale diminuisce e il materiale diventa fragile, " ha detto Junsoo Kim, uno studente laureato presso SEAS e co-primo autore del documento. "Se hai solo pochi collegamenti incrociati, le catene sono più lunghe, e il materiale è resistente, ma è troppo morbido per essere utile."

Per sviluppare un polimero che sia allo stesso tempo rigido e tenace, i ricercatori hanno guardato al fisico, piuttosto che legami chimici per collegare le catene polimeriche. Questi legami fisici, chiamati intrecci, sono noti nel campo da quasi da quando esiste la scienza dei polimeri, ma si è pensato che influissero solo sulla rigidità, non durezza.

Ma il team di ricerca SEAS ha scoperto che con un numero sufficiente di entanglement, un polimero potrebbe diventare duro senza compromettere la rigidità. Per creare polimeri altamente aggrovigliati, i ricercatori hanno utilizzato una soluzione di precursore di monomero concentrato con 10 volte meno acqua rispetto ad altre ricette polimeriche.

"Affollando tutti i monomeri in questa soluzione con meno acqua e poi polimerizzandola, li abbiamo costretti ad essere impigliati, come fili aggrovigliati, " disse Guogao Zhang, un borsista post-dottorato presso SEAS e co-autore del documento. "Proprio come con i tessuti a maglia, i polimeri mantengono la loro connessione l'uno con l'altro essendo fisicamente intrecciati."

Con centinaia di questi intrecci, sono necessarie solo una manciata di reticolazioni chimiche per mantenere stabile il polimero.

"Come elastomeri, questi polimeri hanno un'elevata tenacità, forza, e resistenza alla fatica, " ha detto Meixuazi Shi, uno studioso in visita presso SEAS e coautore del documento. "Quando i polimeri vengono immersi in acqua per diventare idrogel, hanno un basso attrito, ed elevata resistenza all'usura."

L'elevata resistenza alla fatica e l'elevata resistenza all'usura aumentano la durata e la durata dei polimeri.

"La nostra ricerca mostra che utilizzando gli entanglement anziché i collegamenti incrociati, potremmo diminuire il consumo di alcune materie plastiche aumentando la durabilità dei materiali, " disse Zhang.

"Ci auguriamo che questa nuova comprensione della struttura polimerica amplierà le opportunità di applicazioni e apra la strada a soluzioni più sostenibili, materiali polimerici di lunga durata con queste eccezionali proprietà meccaniche, " ha detto Kim.