Mussel inspires development of stronger and stretchier polymers / La cozza ispira lo sviluppo di polimeri più forti e più elastici.
Le cozze utilizzano filo polimerico duro per fissarsi a rocce
Researchers at the University of California, Santa Barbara have turned to an unlikely source of inspiration to develop a method for producing stronger and more stretchy polymers: the marine mussel.
Typically, the strength of a polymer is improved by increasing the number of chemical cross-links that hold together the material’s network of polymer strands. However, binding the strands more closely together also makes the polymer more brittle, reducing its stretchiness.
A group at the University’s Materials Research Laboratory claims to have developed a method for overcoming this trade-off that’s based on the tough, flexible polymeric byssal threads that marine mussels use to secure themselves to rocks.
To develop the material, the team synthesised an amorphous, loosely cross-linked epoxy network and then treated it with iron to form dynamic iron-catechol cross-links. In the absence of iron, when one of the covalent cross-links breaks, it is broken forever, because no mechanism for self-healing exists. But when the reversible iron-catechol coordination bonds are present, any of those iron-containing broken cross-links can reform, not necessarily in exactly the same place but nearby, thus maintaining the material’s resiliency even as its strength increases.
As the iron-catechol network is stretched, it doesn’t store the energy, so when the tension is released, the material doesn’t bounce back like a rubber band but, rather, dissipates the energy. The material then slowly recovers to reassume its original shape, in much the same way a viscoelastic material such as memory foam does after the pressure on it is released.
Whilst previous efforts to mimic mussel chemistry have focussed on wet materials such as hydrogels, the UC project is focussed on a so-called dry system which the team claims are up to 25 times stiffer and five times more stretchy than wet systems.
This is because in a wet system, the network absorbs water, causing the polymer chains to stretch, so there is not much extra flexibility left. But with a dry material, the amorphous spaghetti-like strands are initially very compact, with a lot of room to stretch.
The group claims that the technology could have a host of commercial and industrial applications.
“A material having that characteristic, called an ‘energy-dissipative plastic,’ is useful for coatings,” said Thomas Cristiana, co-lead author of a paper on the work in the journal Science. “It would make a great cell-phone case because it would absorb a large amount of energy, so the phone would be less likely to break upon impact with the floor and would be protected.”
ITALIANO
I ricercatori dell'Università della California, Santa Barbara, si sono basati su un'improbabile fonte di ispirazione per sviluppare un metodo per produrre polimeri più forti e più elastici: la cozza marina.
In genere, la forza di un polimero è migliorata aumentando il numero di legami chimici che tengono insieme la rete di fili di polimeri del materiale. Tuttavia, legare più strettamente i fili rende il polimero più fragile, riducendo la sua elasticità.
Un gruppo presso il Laboratorio di Ricerca dei Materiali dell'Università sostiene di aver sviluppato un metodo per superare questo compromesso che si basa sui fili di polimeri duri e flessibili che le cozze marine utilizzano per assicurarsi alle rocce.
Per sviluppare il materiale, il gruppo ha sintetizzato una rete epossidica amorfa e leggermente reticolata e poi trattata con ferro per formare legami ad incroci dinamici di ferro-catecholo. In assenza di ferro, quando uno dei legami covalenti si rompe, è rotto per sempre, perché non esiste alcun meccanismo di auto-guarigione. Ma quando sono presenti i legami di coordinazione ferro-catecolo reversibili, uno di quei tracciati rotti contenenti ferro si può riformare, non necessariamente nello stesso posto ma nelle vicinanze, mantenendo così la resilienza del materiale anche quando la sua forza aumenta.
Poiché la rete di ferro-catecolo è allungata, non conserva l'energia, quindi quando la tensione viene rilasciata, il materiale non ritorna come una gomma ma piuttosto dissipa l'energia. Il materiale poi recupera lentamente per riassumere la sua forma originale, nello stesso modo in cui un materiale viscoelastico come la schiuma di memoria fa dopo che la pressione su di esso viene rilasciata.
Mentre gli sforzi precedenti per simulare la chimica del mitilo si sono concentrati su materiali bagnati come gli idrogel, il progetto UC è focalizzato su un cosiddetto sistema asciutto che il gruppo afferma sia fino a 25 volte più rigida e cinque volte più allungata dei sistemi umidi.
Questo perché in un sistema bagnato, la rete assorbe l'acqua, causando la stiratura delle catene di polimeri, quindi non c'è molto flessibilità aggiuntiva. Ma con un materiale asciutto, i filamenti amorfi sono inizialmente molto compatti, con molta spazio per allungare.
Il gruppo afferma che la tecnologia potrebbe avere una serie di applicazioni commerciali e industriali.
"Un materiale che ha questa caratteristica, chiamata" plastica dissipativa di energia ", è utile per i rivestimenti", ha dichiarato Thomas Cristiana, co-autore di un articolo sul lavoro della rivista Science. "Sarebbe un grande vantaggio per i cellulari perché avrebbe assorbito una grande quantità di energia, per cui il telefono avrebbe meno probabilità che si rompa con l'impatto con il pavimento e sarebbe protetto".
Da:
https://www.theengineer.co.uk/mussel-strong-stretchy-polymers/?cmpid=tenews_4207025&adg=B69ABBDE-DA23-4BA2-B8C3-86E1E1A9FA79
Commenti
Posta un commento