Il mondo è pieno di una miriade di suoni e vibrazioni:i toni delicati di un pianoforte che si diffonde lungo il corridoio, le fusa rilassanti di un gatto sdraiato sul tuo petto, il fastidioso ronzio delle luci dell'ufficio. Immagina di poter escludere selettivamente i rumori di una certa frequenza.
I ricercatori dell’Università dell’Illinois Urbana-Champaign hanno sintetizzato reti polimeriche con due distinte architetture e punti di reticolazione in grado di scambiare dinamicamente filamenti polimerici per comprendere come la connettività di rete e i meccanismi di scambio di legami governano il comportamento di smorzamento complessivo della rete. L'incorporazione di legami dinamici nella rete polimerica dimostra un eccellente smorzamento del suono e delle vibrazioni a frequenze ben definite.
"Questa ricerca riguarda l'utilizzo di polimeri per assorbire vari suoni e vibrazioni che possono verificarsi a frequenze diverse", afferma Chris Evans, professore di scienza dei materiali e ingegneria, che ha guidato questo lavoro. "Vogliamo sapere come progettare la chimica su scala molecolare del polimero in modo tale da controllare il tipo di capacità di assorbimento di energia che ha."
I risultati di questa nuova ricerca sono stati recentemente pubblicati su Nature Communications .
Essere in grado di personalizzare i polimeri per assorbire frequenze specifiche può essere utile per l'uso in tappi per le orecchie e caschi per persone vicine a esplosioni o esplosioni e in scenari con esposizione ripetuta a una certa frequenza di rumore, come un pilota di elicottero, dove tale esposizione a lungo termine può portare a problemi di udito.
I polimeri sono molecole a catena lunga composte da molte unità ripetitive. Alcuni polimeri non sono completamente lineari e hanno rami, come gli alberi; e altri polimeri sono altamente reticolati in cui le singole catene polimeriche sono collegate da legami covalenti ad altre catene, come una rete. Il punto di reticolazione è un legame che collega una catena polimerica a un'altra, ed è qui che i legami possono scambiarsi.
I legami dinamici all'interno di una rete polimerica consentono di riorganizzare la propria struttura in risposta a un cambiamento nell'ambiente (alta temperatura, pH, esposizione alla luce UV, ecc.). La sostituzione di alcuni legami covalenti nelle strutture polimeriche reticolate con legami dinamici può migliorare le proprietà del polimero come il modulo (la rigidità del materiale) e la viscosità (la facilità con cui il materiale scorre). I legami dinamici forniscono materiali con proprietà uniche come autoriparazione, super allungabilità, proprietà adesive e tenacità del materiale grazie alla modifica delle proprietà viscoelastiche.
"Il progresso chiave qui è che stiamo usando legami covalenti dinamici", spiega Evans. "Sono legami chimici ma possono scambiarsi tra loro (la parte dinamica) e quando vengono utilizzate due sostanze chimiche diverse; possono scambiarsi su scale temporali molto diverse (la parte ortogonale). Stiamo usando questo processo per cercare di controllare cosa frequenze del suono e delle vibrazioni che assorbiamo."
Incorporando legami ortogonali, dove i legami veloci possono scambiarsi solo con altri legami veloci e i legami lenti possono scambiarsi solo con altri legami lenti, si generano modalità di rilassamento multiple e ben separate, che conferiscono alla rete un eccellente smorzamento e proprietà meccaniche migliorate, come la tenacità.
Il team ha realizzato una serie di polimeri che avevano tipi controllati di architetture e dorsali e ha esaminato il modo in cui le catene polimeriche sono collegate. Evans afferma che in realtà fa una grande differenza il modo in cui le catene polimeriche sono collegate per ottenere i processi di dissipazione dell'energia in tempi molto specifici che corrisponderebbero a onde sonore o vibrazioni molto specifiche. Se le catene sono collegate solo alle estremità, ciò non è efficace quanto collegarle periodicamente lungo la dorsale della catena.
Uno dei limiti principali dei materiali utilizzati in questa ricerca, tuttavia, è che alla fine fluiscono. Ad esempio, gli elastici manterranno la loro forma, ma quando verranno aggiunti questi legami dinamici, alla fine scorreranno sempre, come uno stupido mastice. Questo va bene, ad esempio, per l'elmetto di un soldato in cui il materiale è racchiuso all'interno del guscio dell'elmetto, ma non tanto per un tappo per le orecchie. Evans dice che il suo gruppo sta lavorando su come rendere il polimero un materiale più autonomo e, in futuro, vorrebbero incorporare più legami dinamici, quindi il polimero non è solo adattato per una frequenza specifica, ma per una gamma di frequenze molto più ampia.
Chris Evans è anche un affiliato del Materials Research Laboratory e del Beckman Institute for Advanced Science and Technology dell'UIUC.
Altri contributori a questo lavoro includono Sirui Ge (dipartimento di scienza e ingegneria dei materiali e laboratorio di ricerca sui materiali dell'UIUC) e Yu-Hsuan Tsao (dipartimento di scienza e ingegneria dei materiali e laboratorio di ricerca sui materiali dell'UIUC).
Ulteriori informazioni: Sirui Ge et al, L'architettura polimerica detta molteplici processi di rilassamento in reti morbide con due legami dinamici ortogonali, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43073-w
Informazioni sul giornale: Comunicazioni sulla natura
Fornito dall'Università dell'Illinois Grainger College of Engineering
