La cristallizzazione indotta dalla deformazione può rafforzare, indurire e facilitare un effetto elastocalorico negli elastomeri. La cristallinità risultante può essere indotta dallo stiramento meccanico negli elastomeri comuni che è tipicamente inferiore al 20%, con un plateau di estensibilità.
In un nuovo rapporto ora pubblicato su Science Advances , Chase M. Hartquist e un team di scienziati di ingegneria meccanica e scienze dei materiali del MIT e della Duke University negli Stati Uniti hanno utilizzato una classe di elastomeri formati mediante collegamento terminale per ottenere una percentuale di cristallinità indotta dalla deformazione.
L'elastomero a stella desgonfio e legato all'estremità, abbreviato come DELSE, ha raggiunto un'altissima elasticità in scala, oltre il limite di saturazione dei comuni elastomeri, per promuovere un elevato effetto elastocalorico con un cambiamento di temperatura adiabatico.
Il processo di cristallizzazione indotta da deformazione è comune negli elastomeri e nei gel in cui le catene polimeriche amorfe possono trasformarsi in domini altamente orientati e allineati a causa di una deformazione meccanica applicata. Poiché i domini cristallini orientati e allineati possono resistere all'estensione e allo smussamento della fessura per facilitarne la deflessione, il processo di cristallizzazione indotta dalla deformazione ha preservato l'integrità della rete, ottenendo al contempo un recupero vicino al 100% in pochi secondi.
Il metodo svolge un ruolo chiave in una varietà di applicazioni, tra cui il raffreddamento elastocalorico e l'attuazione basata sulla deformazione.
Il tipico processo di cristallinità indotta da deformazione negli elastomeri comuni è inferiore al 20%, mentre la gomma naturale raggiunge solo circa il 15% di cristallinità quando allungata fino a sei volte la sua lunghezza iniziale a temperatura ambiente. In questo nuovo lavoro, Hartquist e un team di ricercatori hanno descritto una classe di elastomeri a stella desgonfiati e collegati alle estremità per ottenere fino al 50% di cristallinità indotta da deformazione. Gli scienziati hanno attribuito la cristallizzazione indotta da tensioni ultra elevate a una struttura di rete uniforme e a un'elevata estensibilità per ottenere i risultati attesi.
Per studiare le caratteristiche aggiuntive dell'elastomero, il team ha utilizzato l'analisi a raggi X per mostrare come la struttura e il disgonfiamento indotto dalla deformazione e l'elastomero a stella legato alle estremità promuovessero la cristallinità rispetto agli elastomeri comuni. Il gruppo di ricerca ha analizzato ulteriormente la struttura cristallina formata utilizzando un’analisi dettagliata a raggi X, in cui gli elastomeri a stella disgonfiati e legati all’estremità mostravano un punto di diffrazione per contrassegnare la formazione di cristalli di poli(etilene biossido) in una struttura elicoidale. Questo elastomero promuove una maggiore cristallinità indotta dalla deformazione, rispetto agli elastomeri comuni.
Il gruppo di ricerca ha condotto la caratterizzazione meccanica a 60°C per studiare la cristallizzazione indotta da deformazione ultraelevata in elastomeri collegati all'estremità desgonfiati, che promuovevano efficacemente un'elevata tenacità, con una bassa isteresi da stress-allungamento. Hartquist e il team hanno rinforzato i materiali più morbidi introducendo legami reversibili per indurre un'ampia isteresi da sforzo-allungamento.
I ricercatori hanno studiato ulteriormente l'estensibilità degli elastomeri per mostrare come i materiali si estendono oltre i limiti delle reti aggrovigliate per applicazioni più ampie. Hanno poi studiato il potenziale di utilizzo di un materiale calorico per applicazioni di raffreddamento a stato solido studiando l'effetto elastocalorico negli elastomeri a stella legati alle estremità desgonfiati e hanno confrontato i risultati con gli elastomeri convenzionali.
Gli scienziati hanno studiato il potenziale di utilizzo di un materiale calorico per applicazioni di raffreddamento allo stato solido studiando gli effetti elastocalorifici negli elastomeri a stella con legami terminali desgonfiati rispetto alla gomma naturale. Un ciclo di raffreddamento elastocalorico ideale può sfruttare la diminuzione della conformazione dell'entropia per aumentare l'entropia termica e riscaldare il materiale sfuso.
Negli elastomeri con cristallizzazione indotta da deformazione, ulteriore calore latente ha contribuito alla formazione di cristalliti per intensificare l'effetto. La maggiore elasticità e la distribuzione uniforme della lunghezza della catena del materiale hanno aumentato l'effetto elastocalorico teorico, rispetto agli elastomeri convenzionali. Tali elastomeri costituivano ottimi candidati adatti per tecnologie avanzate di raffreddamento a stato solido.
Prospettive
In questo modo, gli scienziati dei materiali Chase M. Hartquist e colleghi hanno confrontato l'elastomero a stella desgonfio e collegato all'estremità con la gomma naturale per mostrare la loro maggiore stabilità, la diversa chimica dei polimeri e la struttura ben formata che combinatamente aumentava la cristallizzazione indotta dalla deformazione e l'effetto elastocalorico in materiali elastomerici. Il confronto tra i materiali ha rivelato la loro elasticità e chimica, nonché l'importanza della struttura relativamente omogenea.
Dalla scoperta dell'elastico da parte di J.R. Katz nel 1924, a causa della cristallizzazione indotta dalla deformazione, questo biomateriale ha svolto un ruolo significativo nella società, dagli articoli per la casa ai pneumatici per auto. In questo rapporto, il team ha descritto gli elastomeri di prossima generazione sviluppati con una profonda cristallizzazione indotta da deformazioni che superava le dimensioni della gomma naturale e di altri materiali comuni.
I materiali sviluppati hanno mostrato la capacità di superare le controparti convenzionali, suggerendo la capacità di progettare materiali morbidi regolandone l'architettura di rete. Questi materiali svolgono un ruolo cruciale per costruire strutture aerospaziali futuristiche, dispositivi medici e applicazioni di refrigerazione elastocalorica.
Ulteriori informazioni: Chase M. Hartquist et al, Un elastomero con cristallizzazione indotta da deformazione ultraelevata, Progressi scientifici (2023). DOI:10.1126/sciadv.adj0411
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