Quando O'Connor ha allungato le catene polimeriche, ha scoperto che i cluster più grandi e più forti tendevano a rompersi e consentire alle catene di fluire come un liquido, mentre altri cluster più deboli non si rompevano e impedivano alle catene di allungarsi. Credito:Carnegie Mellon Unviersity, College of Engineering
Quando le materie plastiche vengono lavorate o riciclate, le loro proprietà fondamentali possono degradarsi a causa dei danni causati dalla deformazione. I processi di riciclaggio tendono a rompere i legami molecolari all'interno dei materiali, rendendoli più deboli e meno durevoli. Un modo in cui la plastica può essere resa più sostenibile è utilizzare materiali morbidi autoassemblati che possono autorigenerarsi dopo i danni.
I materiali autoassemblati si organizzano spontaneamente e possono riformare le connessioni molecolari dopo essere stati danneggiati, consentendo ai materiali di recuperare la loro forza nel tempo. Molti ricercatori stanno esplorando le applicazioni dei materiali autorigeneranti in cui i componenti in plastica sono difficili da sostituire o riparare, come la nanotecnologia all'interno dei computer o i materiali biomedici all'interno dei corpi umani. Tuttavia, gli scienziati non hanno una comprensione approfondita del loro comportamento su scala molecolare.
Thomas O'Connor, un assistente professore di scienza dei materiali e ingegneria, sta lavorando per cambiare questa situazione. Lui e il suo team di collaboratori stanno usando simulazioni molecolari per studiare un tipo di materiali autoassemblanti chiamati polimeri associati. Questi polimeri sono costituiti da lunghe catene molecolari che contengono gruppi appiccicosi lungo la loro lunghezza.
I gruppi appiccicosi sono attratti l'uno dall'altro e si aggregano per formare grappoli che collegano diverse catene insieme in una rete che potrebbe sembrare una ciotola di noodles molecolari. Quando i polimeri vengono danneggiati dalla deformazione, i grappoli appiccicosi possono riformarsi e guarire il materiale formando una cicatrice molecolare. I grappoli più appiccicosi possono formare cicatrici più forti, ma se le interazioni appiccicose diventano troppo forti, si formeranno grappoli molto grandi e il polimero diventerà troppo rigido per essere manipolato nella produzione.
Per capire come si comportano i polimeri associati all'allungamento, O'Connor ha simulato il comportamento delle catene polimeriche durante la deformazione allungata. Ha scoperto che mentre allungava le reti, i cluster appiccicosi all'interno del materiale non reagivano in modo uniforme.
I cluster più grandi e più forti tendevano a rompersi e consentire alle catene di fluire come un liquido, mentre altri cluster più deboli non si rompevano e impedivano alle catene di allungarsi. Questa risposta eterogenea - comportamenti molecolari diversi dallo stesso stimolo - è eccitante per i teorici dei materiali come O'Connor perché aiuta a spiegare perché questi materiali sono così imprevedibili durante la produzione.
"In genere, il modo in cui scrivi una teoria per un materiale è chiedere, 'qual è la risposta media delle catene polimeriche a quello che sto facendo?'", ha spiegato O'Connor. "Ma con questa rete si verificano due comportamenti distinti. Alcune catene sono allungate e alcune catene sono collassate. La media sarebbe da qualche parte nel mezzo e non catturerà nemmeno".
I polimeri associati sono costituiti da lunghe catene molecolari che contengono gruppi appiccicosi lungo la loro lunghezza. I gruppi appiccicosi sono attratti l'uno dall'altro e si aggregano per formare gruppi che collegano diverse catene insieme in una rete. Credito:Carnegie Mellon Unviersity, College of Engineering
Al contrario, quando O'Connor ha accelerato la simulazione per allungare le catene polimeriche più rapidamente, ha scoperto che più velocemente le catene venivano allungate, più si comportavano in modo simile.
Ad alta velocità, i cluster che fungevano da connessioni permanenti si sono separati e hanno formato molti cluster più piccoli con proprietà simili ai cluster più piccoli già esistenti. "Questo ci ha mostrato che tutte le speranze non sono perse per lavorare, elaborare e un giorno riciclare i materiali autoassemblati", ha spiegato O'Connor. "Sebbene questi sistemi abbiano un modo di comportarsi nuovo e disordinato, questo disordine segue alcune regole perché il modo in cui il sistema si rompe crea una sorta di auto-organizzazione. Non vedo l'ora di esplorare cosa faranno queste reti quando potremo controllare più attentamente loro."
Utilizzando le simulazioni, il team di O'Connor può controllare con precisione le dimensioni e la viscosità dei cluster e può valutare in che modo le reti di associazione progettate con maggiore attenzione risponderanno al flusso di allungamento. Questa ricerca è stata pubblicata in Physical Review X è fondamentale per il futuro della lavorazione dei materiali autoassemblati.
