I ricercatori della Rice University hanno creato un materiale sintetico che diventa più forte dallo stress ripetuto proprio come il corpo rafforza ossa e muscoli dopo ripetuti allenamenti.

Lavoro del laboratorio Rice di Pulickel Ajayan, professore di ingegneria meccanica e scienza dei materiali e di chimica, mostra il potenziale di irrigidimento dei nanocompositi a base di polimeri con riempitivi di nanotubi di carbonio. Il team ha riportato la sua scoperta questo mese sul giornale ACS Nano .

Il trucco, sembra, giace nel complesso, interfaccia dinamica tra nanostrutture e polimeri in materiali nanocompositi accuratamente ingegnerizzati.

Brent Carey, uno studente laureato nel laboratorio di Ajayan, ha trovato l'interessante proprietà durante il test delle proprietà di fatica ad alto numero di cicli di un composito che ha realizzato infiltrandosi in una foresta di allineati verticalmente, nanotubi a parete multipla con polidimetilsilossano (PDMS), un inerte, polimero gommoso. Con sua grande sorpresa, caricare ripetutamente il materiale non sembrava danneggiarlo affatto. Infatti, lo stress lo rendeva più rigido.

Carey, la cui ricerca è sponsorizzata da una borsa di studio della NASA, hanno utilizzato l'analisi meccanica dinamica (DMA) per testare il loro materiale. Ha scoperto che dopo 3,5 milioni di compressioni (cinque al secondo) in circa una settimana, la rigidità del composito era aumentata del 12% e mostrava il potenziale per ulteriori miglioramenti.

"Ci sono voluti un po' di ritocchi per ottenere lo strumento per fare questo, " Carey ha detto. "DMA generalmente presume che il tuo materiale non stia cambiando in modo permanente. Nei primi test, il software continuava a dirmi, 'Ho danneggiato il campione!' all'aumentare della rigidità. Ho anche dovuto ingannarlo con un ciclo di programma irrisolvibile per ottenere l'elevato numero di cicli."

Gli scienziati dei materiali sanno che i metalli possono indurirsi durante deformazioni ripetute, un risultato della creazione e dell'inceppamento di difetti - noti come dislocazioni - nel loro reticolo cristallino. polimeri, che sono fatti di lunghi, catene ripetute di atomi, non comportarti allo stesso modo.

Il team non è sicuro del motivo esatto per cui il loro materiale sintetico si comporta in quel modo. "Siamo stati in grado di escludere un'ulteriore reticolazione nel polimero come spiegazione, " Carey ha detto. "I dati mostrano che c'è pochissima interazione chimica, se del caso, tra il polimero e i nanotubi, e sembra che questa interfaccia fluida si stia evolvendo durante lo stress."

"L'uso di nanomateriali come riempitivo aumenta enormemente questa area interfacciale per la stessa quantità di materiale di riempimento aggiunto, " ha detto Ajayan. "Quindi, gli effetti interfacciali risultanti sono amplificati rispetto ai compositi convenzionali.

"Per i materiali ingegnerizzati, alla gente piacerebbe avere un composito come questo, " ha detto. "Questo lavoro mostra come i nanomateriali nei compositi possono essere utilizzati in modo creativo".

Hanno anche scoperto un'altra verità su questo fenomeno unico:la semplice compressione del materiale non ha cambiato le sue proprietà; solo lo stress dinamico, deformandolo ripetutamente, lo rendeva più rigido.

Carey ha tracciato un'analogia tra il loro materiale e le ossa. "Finché sottolinei regolarmente un osso del corpo, rimarrà forte, " ha detto. "Per esempio, le ossa nel braccio della racchetta di un tennista sono più dense. Essenzialmente, questo è un effetto adattativo che il nostro corpo usa per sopportare i carichi applicati ad esso.

"Il nostro materiale è simile nel senso che un carico statico sul nostro composito non provoca un cambiamento. Devi sollecitarlo dinamicamente per migliorarlo."

La cartilagine potrebbe essere un confronto migliore e forse anche un futuro candidato per la sostituzione dei nanocompositi. "Possiamo immaginare che questa risposta sia attraente per lo sviluppo di cartilagine artificiale che può rispondere alle forze applicate ma rimane flessibile in aree che non vengono stressate, " ha detto Carey.

Entrambi i ricercatori hanno notato che questo è il tipo di ricerca di base che pone più domande di quante ne risponda. Sebbene possano facilmente misurare le proprietà di massa del materiale, è una storia completamente diversa capire come il polimero ei nanotubi interagiscono su scala nanometrica.

"Le persone hanno cercato di affrontare la domanda su come si comporta lo strato polimerico attorno a una nanoparticella, "ha detto Ajayan.
"È un problema molto complicato. Ma fondamentalmente, è importante se sei un ingegnere di nanocompositi.

"Da questo punto di vista, Penso che questo sia un bel risultato. Ci dice che è possibile progettare interfacce che facciano fare al materiale cose non convenzionali".