Los mejillones inspiran polímeros más fuertes y elásticos

Hacer esos materiales más fuertes por lo general significa hacerlos más frágiles, ya que, estructuralmente, los elastómeros son redes sin forma de hilos de polímeros, a menudo comparados con un grupo de fideos espaguetis desorganizados, unidos por unos pocos enlaces químicos cruzados.

El biso, una fibra natural obtenida de los filamentos que segregan moluscos como los mejillones, ha inspirado un nuevo sistema de fabricación de polímeros más fuertes y elásticos.

Una amplia gama de materiales basados en polímeros, desde caucho y neopreno hasta ropa de licra y silicona, son elastómeros valorados por su capacidad de flexión y estiramiento sin romperse y regresar a su forma original.

Hacer esos materiales más fuertes por lo general significa hacerlos más frágiles, ya que, estructuralmente, los elastómeros son redes sin forma de hilos de polímeros, a menudo comparados con un grupo de fideos espaguetis desorganizados, unidos por unos pocos enlaces químicos cruzados.

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Reforzar un polímero requiere aumentar la densidad de los enlaces cruzados entre los filamentos creando más enlaces. Esto hace que las hebras del elastómero se resistan a separarse unas de otras, dándole al material una estructura más organizada pero también haciéndolo más rígido y más propenso a fallar.

Inspirados en los duros hilos poliméricos del biso que utilizan los mejillones marinos para protegerse en las zonas escarpadas intermareales, un equipo de investigadores afiliados al Laboratorio de Investigación de Materiales de la Universidad de California Santa Bárbara (UCSB), en Estados Unidos, ha desarrollado un método para superar la compensación inherente entre la resistencia y la flexibilidad en polímeros elastoméricos.

«En la última década, hemos logrado enormes avances en la comprensión de cómo los materiales biológicos mantienen la fuerza bajo carga», dice la autora Megan Valentine, profesora asociada en el Departamento de Ingeniería Mecánica de la UCSB. «En este documento, demostramos nuestra capacidad de utilizar esa comprensión para desarrollar materiales artificiales útiles. Este trabajo abre interesantes vías de descubrimiento para muchas aplicaciones comerciales e industriales», afirma esta experta, cuyo trabajo se publica en Science.

Los esfuerzos previos también inspirados en la química de la cutícula del mejillón se han limitado a los sistemas blandos y húmedos, como los hidrogeles. Por el contrario, los investigadores de UCSB incorporaron los enlaces de coordinación de hierro inspirados en el mejillón en un sistema polimérico seco. Esto es importante porque tal polímero seco podría ser sustituido por materiales rígidos pero frágiles, especialmente en aplicaciones relacionadas con impacto y torsión.

«Encontramos que la red húmeda era 25 veces menos rígida y se rompió en un alargamiento cinco veces más corto que una red seca construida de manera similar», explica la coautora principal Emmanouela Filippidi, investigadora postdoctoral en el Valentine Lab en UCSB. «Es un resultado interesante, pero esperado. Lo que realmente llama la atención es lo que sucedió cuando comparamos la red seca antes y después de agregar hierro. No solo mantuvo su elasticidad, sino que también se volvió 800 veces más rígida y 100 veces más dura en presencia de estos enlaces reconfigurables de hierro-catecol. Eso fue inesperado», añade.

Para lograr redes que tengan una arquitectura y un rendimiento similares a los de la cutícula del mejillón, el equipo, cuyo trabajo se detalla en ‘Science’, sintetizó una amorfa red de resina epoxídica y holgadamente reticulada y luego la trató con hierro para formar enlaces cruzados de hierro-catecol dinámicos. En ausencia de hierro, cuando uno de los enlaces cruzados covalentes se rompe, se rompe para siempre, porque no existe ningún mecanismo de auto-curación.

Pero cuando están presentes los enlaces reversibles de coordinación hierro-catecol, cualquiera de esos enlaces cruzados rotos que contienen hierro puede reformarse, no necesariamente exactamente en el mismo lugar, sino cerca, manteniendo así la elasticidad del material incluso cuando su fuerza aumenta. El material es tanto más rígido como más duro que las redes similares que carecen de enlaces de coordinación que contienen hierro.

A medida que la red de hierro-catecol se estira, no almacena la energía, de modo que cuando se libera la tensión, el material no rebota como una goma, sino que disipa la energía. El material luego se recupera lentamente para reasumir su forma original, de la misma manera que lo hace un material viscoelástico.

El sistema seco que usaron los investigadores es importante por dos razones. En un sistema húmedo, la red absorbe agua y hace que las cadenas de polímero se estiren, por lo que no queda mucha flexibilidad adicional. Pero con un material seco, los filamentos amorfos parecidos a los espaguetis son inicialmente muy compactos, con mucho espacio para estirar.

Cuando se agregan los enlaces cruzados de hierro para fortalecer el polímero, la elasticidad del material seco no se ve comprometida, porque esos enlaces pueden romperse, por lo que las cadenas de polímero no se bloquean en su lugar. Además, al eliminar el agua de la red, el catecol y el hierro están más cerca y son capaces de formar regiones de alta conectividad, lo que mejora las propiedades mecánicas.

«Esta diferencia entre la respuesta en sistemas húmedos y secos es enorme y hace que nuestro enfoque cambie las reglas del juego en términos de síntesis de materiales mediante ingeniería útiles para aplicaciones de alto impacto», concluye Valentine.

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