Incrustar estratégicamente partículas rígidas alrededor de largas cadenas de polímeros puede disipar el estrés en el caucho y multiplicarse por seis el umbral de fatiga, según han demostrado los investigadores en EE.UU. Esto abre potencialmente un «nuevo paradigma», para el diseño de gomas rígidas y resistentes a la fatiga en aplicaciones como cinturones texturizados, pisadas de neumáticos y robótica blanda.
Un caucho relleno es un material compuesto sostenido por una matriz de cadenas de polímeros elásticos y endurecido por partículas rígidas como negro de carbono o sílice. El material de llenado puede aumentar el módulo elástico de la goma en dos órdenes de magnitud, haciendo que los materiales compuestos sean extremadamente útiles para aplicaciones como neumáticos. Sin embargo, no aumenta significativamente el umbral de fatiga (la cantidad acumulada de energía que el material puede absorber sobre ciclos repetidos de deformación antes de fallar).
En una goma tradicional llena, las partículas rígidas no se unen fuertemente a las cadenas de polímeros. Investigadores de la Universidad de Harvard investigaron los efectos de cambiar esto utilizando un polímero policrilato de cadena larga y muy enredado polisil (EPA) relleno de nanopartículas de sílice. Cuando las nanopartículas fueron funcionalizadas con grupos de trimetilsililo, que no se unieron a las cadenas de polímeros, la resistencia a la fatiga fue la misma que la del polímero sin llenar. Sin embargo, los grupos funcionales de metacrílato de 3-(tritooxisililo) formaron fuertes vínculos entre las nanopartículas de sílice y las cadenas de polímeros. El cambio del grupo funcional permitió, por tanto, los enredos entre las cadenas interconseizadas almacenar energía en una estructura flexible, similar a la red. Este cambio más que duplicó la resistencia a la fatiga.
Los investigadores aumentaron el volumen de las partículas en el compuesto del 15% al 45%. Esto permitió que las partículas se agruparan más y permitió que el compuesto resultante se separara el estrés en dos escalas diferentes: si una cadena de polímero entre dos partículas fallara, el estrés podría disiparse en las otras sin que las dos partículas se rompieran; y si las dos partículas se rompieron, el estrés podría transferirse a vínculos entre otras partículas sin que el polímero fallara. El efecto acumulativo aumentó el umbral de fatiga a seis veces el de PEA no reforzado.
Los investigadores demostraron la utilidad de su compuesto mediante la producción de una pinza mecánica para la robótica blanda usando kirigami, una variación de origami donde las estructuras se doblan y cortan. Esto es exigente porque es necesario un alto módulo elástico para que la agarre levante grandes cargas y un material con bajo umbral de fatiga se fracturará bajo ciclos repetidos de deformación a medida que la grieta se propaga. Los investigadores relatan que, mientras que un polímero altamente enlazado fracturado después de sólo unos pocos ciclos, su material podría levantar seis veces la masa de la PEA no reforzada, pero mostró una deformación insignificante después de 350.000 ciclos.
Creo que este artículo realmente trae un nuevo paradigma para pensar en la vida útil en materiales blandos como gomas, dice Gabriel Sanoja en la Universidad de Texas en Austin. Dice que la idea de diseñar la arquitectura de un material para ser eficiente en la deslocalización del estrés parece estar ganando impulso en la literatura, por lo que espera que el trabajo lleve a los investigadores a explorar otras preguntas. ¿Cómo hacerlo racionalmente? ¿Cómo puede explotarse la química para aprovecharse de este principio y luego incluso empujar el rendimiento hacia adelante?
Referencias
J Steck et al, Naturaleza, 2023, 624624, 303 (DOI: 10.1038/s41586-023-06782-2)
