Chemicy z MIT i Duke University w zaskakujący sposób dziesięciokrotnie zwiększyli wytrzymałość elastomerów poliakrylanowych poprzez włączenie do ich struktury słabszych wiązań.

Słabsze wiązania nie zmieniają innych właściwości fizycznych tych materiałów.

– Inżynierowie polimerów wiedzą, jak sprawić, by materiały były mocniejsze, ale niezmiennie wiąże się to ze zmianą ich innych parametrów, których nie chcemy modyfikować. W tym przypadku poprawa wytrzymałości następuje bez żadnych innych znaczących zmian właściwości fizycznych – twierdzi Stephen Craig, profesor chemii na Duke University.

Przełom ten, opublikowany na łamach Science w zeszłym tygodniu, może mieć znaczący wpływ m.in. na wydłużenie żywotności gumowych opon i zredukowanie ilości odpadów z mikroplastiku w środowisku.

Naukowcy, pracując z elastomerami poliakrylowymi, odkryli, że mogą zwiększyć odporność tych materiałów na rozerwanie nawet dziesięciokrotnie, po prostu używając słabszego typu sieciującego do połączenia niektórych bloków konstrukcyjnych takiego polimeru.

Te gumopodobne tworzywa są powszechnie stosowane w częściach samochodowych, a także do druku w technologii 3D. Badacze analizują teraz możliwość rozszerzenia odkrycia na inne rodzaje materiałów, takich jak opony.

– Gdyby udało się sprawić, że opona byłaby 10 razy bardziej odporna na rozerwanie, mogłoby to mieć dramatyczny wpływ na jej żywotność i ilość mikrocząstek, które się z niej uwalniają – powiedział Jeremiah Johnson, profesor chemii na MIT i jeden ze starszych autorów badania.

W badaniu z 2021 roku Craig, Rubinstein i profesor MIT Bradley Olsen połączyli siły, aby zmierzyć wytrzymałość elastomerów. Tak jak się spodziewali, odkryli, że gdy w sieci połączeń słabsze łączniki końcowe zostały użyte do utrzymania nici polimerowych razem, materiał stał się słabszy.

W ramach kontynuacji tego badania naukowcy postanowili zbadać inny rodzaj sieci polimerowej, w której nici są usieciowane z innymi w losowych miejscach, a nie jak do tej pory, wymieniane na końcach.

Tym razem, gdy naukowcy użyli słabszych łączników do połączenia akrylanowych bloków konstrukcyjnych, odkryli, że materiał stał się znacznie bardziej odporny na rozdarcie.

Gdy tak zmodyfikowany materiał jest rozciągany do punktu zerwania, wszelkie rozprzestrzeniające się w nim pęknięcia próbują ominąć silniejsze wiązania i przechodzą przez wiązania słabsze.

Oznacza to, że pęknięcie musi zerwać więcej wiązań niż w przypadku, gdyby wszystkie wiązania miały taką samą wytrzymałość, co ostatecznie jest dłuższą drogą.

– Jest tu wiele do zbadania w kwestii tego, jaki poziom wzmocnienia można uzyskać w innych rodzajach materiałów i jak najlepiej to wykorzystać – podsumował Stephen Craig.