Tim hemičara sa MIT-a i Univerziteta Duke otkrio je kontraintuitivan način da polimere učini jačima: uvesti nekoliko slabijih veza u materijal.
Radeći sa vrstom polimera poznatog kao poliakrilatni elastomeri, istraživači su otkrili da mogu povećati otpor materijala na kidanje do deset puta, jednostavnim korišćenjem slabijeg tipa umrežavača za spajanje nekih od blokova polimera.
Ovi polimeri slični gumi se obično koriste u automobilskim delovima, a često se koriste i kao „mastilo“ za 3D štampane objekte. Istraživači sada istražuju moguću ekspanziju ovog pristupa na druge vrste materijala, kao što su gumene gume.
„Ako biste mogli da napravite gumenu gumu 10 puta otporniju na kidanje, to bi moglo imati dramatičan uticaj na životni vek gume i na količinu mikroplastičnog otpada koji se lomi“, kaže Džeremaja Džonson, profesor hemije na MIT-u i jedan od starijih autora studije, koja se pojavljuje u Science .
Značajna prednost ovog pristupa je što se čini da ne menja nijedno od drugih fizičkih svojstava polimera. Dva gumena elastomera napravljena sa mehanoforskim umreživačima (levo) naspram konvencionalnih umreživača (desno). Svojstva ova dva se ne razlikuju, osim koliko je teže pocepati onaj sa leve strane kao rezultat ugrađenih mehanofora.
„Inženjeri polimera znaju kako da učine materijale čvršćim, ali to uvek uključuje promenu nekih drugih svojstava materijala koje ne želite da promenite. Ovde povećanje žilavosti dolazi bez ikakvih drugih značajnih promena u fizičkim svojstvima—barem da možemo mera — a to se postiže zamenom samo malog dela celokupnog materijala“, kaže Stiven Krejg, profesor hemije na Univerzitetu Djuk, koji je takođe stariji autor rada.
Ovaj projekat je izrastao iz dugogodišnje saradnje između Džonsona, Krega i profesora Univerziteta Djuk Majkla Rubinštajna, koji je takođe stariji autor rada. Glavni autor rada je Šu Vang, postdoktor na MIT-u koji je doktorirao. kod Duke.
Poliakrilatni elastomeri su polimerne mreže napravljene od niti akrilata koje se drže zajedno povezujućim molekulima. Ovi gradivni blokovi se mogu spojiti na različite načine kako bi se stvorili materijali različitih svojstava.
Jedna arhitektura koja se često koristi za ove polimere je zvezdana polimerna mreža. Ovi polimeri su napravljeni od dve vrste građevinskih blokova: jedan, zvezda sa četiri identična kraka, a drugi lanac koji deluje kao povezivač. Ovi linkeri se vezuju za kraj svakog kraka zvezda, stvarajući mrežu koja podseća na odbojkašku mrežu.
U studiji iz 2021. godine, Krejg, Rubinštajn i profesor sa MIT-a Bredli Olsen udružili su se da izmere snagu ovih polimera. Kao što su očekivali, otkrili su da kada se koriste slabiji krajnji linkeri da drže polimerne niti zajedno, materijal postaje slabiji. Oni slabiji linkeri, koji sadrže ciklične molekule poznate kao ciklobutan, mogu se razbiti sa mnogo manjom silom od linkera koji se obično koriste za spajanje ovih građevinskih blokova.
Kao nastavak te studije, istraživači su odlučili da istraže drugačiji tip polimerne mreže u kojoj su polimerni lanci umreženi sa drugim nitima na nasumičnim lokacijama, umesto da budu spojeni na krajevima.
Ovog puta, kada su istraživači koristili slabije povezivače da spoje akrilatne građevne blokove zajedno, otkrili su da je materijal postao mnogo otporniji na kidanje.
Ovo se dešava, veruju istraživači, jer su slabije veze nasumično raspoređene kao spojevi između inače jakih niti kroz materijal, umesto da budu deo samih krajnjih niti. Kada se ovaj materijal rastegne do tačke loma, sve pukotine koje se šire kroz materijal pokušavaju da izbegnu jače veze i umesto toga prođu kroz slabije veze. To znači da pukotina mora da raskine više veza nego što bi bilo da su sve veze iste snage.
„Iako su te veze slabije, više njih na kraju treba da bude prekinuto, jer pukotina prolazi kroz najslabije veze, što na kraju postaje duži put“, kaže Džonson.
Koristeći ovaj pristup, istraživači su pokazali da su poliakrilati koji sadrže neke slabije linkere devet do deset puta teže pocepati od poliakrilata napravljenih sa jačim umreženim molekulima. Ovaj efekat je postignut čak i kada su slabi umreživači činili samo oko 2% ukupnog sastava materijala.
Istraživači su takođe pokazali da ovaj izmenjeni sastav nije promenio nijedno od drugih svojstava materijala, kao što je otpornost na razbijanje kada se zagreje.
„Prilično je retko da dva materijala imaju istu strukturu i ista svojstva na nivou mreže, ali da imaju skoro veliku razliku u kidanju“, kaže Džonson.
Istraživači sada istražuju da li bi se ovaj pristup mogao koristiti za poboljšanje žilavosti drugih materijala, uključujući gumu.
