Un equipo de químicos del MIT y la Universidad de Duke ha descubierto una forma contraintuitiva de fortalecer los polímeros: introducir en el material algunos enlaces más débiles.
Trabajando con un tipo de polímero conocido como elastómeros de poliacrilato, los investigadores descubrieron que podían multiplicar hasta por diez la resistencia de los materiales a la rotura, simplemente utilizando un tipo de reticulante más débil para unir algunos de los bloques de construcción del polímero.
Estos polímeros similares al caucho se utilizan habitualmente en piezas de automóviles y como «tinta» para objetos impresos en 3D. Los investigadores estudian ahora la posible ampliación de este método a otros tipos de materiales, como los neumáticos de caucho.
«Si pudiéramos hacer que un neumático de goma fuera 10 veces más resistente al desgarro, eso podría tener un impacto drástico en la vida útil del neumático y en la cantidad de residuos microplásticos que se desprenden», afirma Jeremiah Johnson, profesor de química del MIT y uno de los autores principales del estudio, que aparece hoy en Science.
Una ventaja significativa de este enfoque es que no parece alterar ninguna de las demás propiedades físicas de los polímeros.
«Los ingenieros de polímeros saben cómo hacer que los materiales sean más resistentes, pero invariablemente implican cambiar alguna otra propiedad del material que no se desea modificar. En este caso, la mejora de la resistencia se produce sin ningún otro cambio significativo en las propiedades físicas -al menos que podamos medir- y se logra mediante la sustitución de sólo una pequeña fracción del material total», afirma Stephen Craig, profesor de química de la Universidad de Duke y autor principal del artículo.
Este proyecto es fruto de una larga colaboración entre Johnson, Craig y Michael Rubinstein, profesor de la Universidad de Duke y autor principal del artículo. El autor principal del artículo es Shu Wang, un postdoctorando del MIT que se doctoró en Duke.
El eslabón más débil
Los elastómeros de poliacrilato son redes de polímeros formadas por hebras de acrilato unidas por moléculas de enlace. Estos bloques pueden unirse de distintas formas para crear materiales con propiedades diferentes.
Una arquitectura utilizada a menudo para estos polímeros es una red polimérica en estrella. Estos polímeros están formados por dos tipos de bloques de construcción: uno, una estrella con cuatro brazos idénticos, y el otro, una cadena que actúa como enlazador. Estos enlazadores se unen al extremo de cada brazo de las estrellas, creando una red que se asemeja a una red de voleibol.
En un estudio de 2021, Craig, Rubinstein y el profesor del MIT Bradley Olsen se unieron para medir la resistencia de estos polímeros. Como esperaban, descubrieron que cuando se utilizaban enlaces finales más débiles para mantener unidas las hebras del polímero, el material se volvía más débil. Esos enlazadores más débiles, que contienen moléculas cíclicas conocidas como ciclobutano, pueden romperse con mucha menos fuerza que los enlazadores que suelen utilizarse para unir estos bloques de construcción.
Como continuación de ese estudio, los investigadores decidieron investigar otro tipo de red polimérica en la que las hebras de polímero se reticulan con otras hebras en lugares aleatorios, en lugar de unirse por los extremos.
Esta vez, cuando los investigadores utilizaron enlaces más débiles para unir los bloques de acrilato, descubrieron que el material era mucho más resistente al desgarro.
Los investigadores creen que esto se debe a que los enlaces más débiles se distribuyen aleatoriamente por todo el material como uniones entre hebras que, de otro modo, serían fuertes, en lugar de formar parte de las propias hebras finales. Cuando este material se estira hasta el punto de rotura, las grietas que se propagan a través del material intentan evitar los enlaces más fuertes y atraviesan en su lugar los enlaces más débiles. Esto significa que la grieta tiene que romper más enlaces de los que rompería si todos los enlaces tuvieran la misma fuerza.
«Aunque esos enlaces sean más débiles, al final hay que romper más, porque la grieta toma un camino a través de los enlaces más débiles, que acaba siendo un camino más largo», dice Johnson.
Materiales resistentes
Utilizando este enfoque, los investigadores demostraron que los poliacrilatos que incorporaban algunos enlazadores más débiles eran entre nueve y diez veces más difíciles de romper que los poliacrilatos fabricados con moléculas reticulantes más fuertes. Este efecto se conseguía incluso cuando los reticulantes débiles representaban sólo el 2% de la composición total del material.
Los investigadores también demostraron que esta composición alterada no alteraba ninguna de las demás propiedades del material, como la resistencia a romperse cuando se calienta.
«Que dos materiales tengan la misma estructura y las mismas propiedades a nivel de red, pero una diferencia de casi un orden de magnitud en el desgarro, es bastante raro», afirma Johnson.
Los investigadores están estudiando si este método podría utilizarse para mejorar la resistencia de otros materiales, como el caucho.
«Queda mucho por explorar sobre el nivel de mejora que puede obtenerse en otros tipos de materiales y la mejor forma de aprovecharlo», afirma Craig.
