es.wedoany.com Noticia: Los químicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) han logrado, mediante un enfoque contraintuitivo —añadir enlaces débiles para hacer el material más resistente—, transformar plásticos cotidianos como el poliestireno, de materiales frágiles a materiales antibalas.
La investigación está liderada por Jeremiah Johnson, catedrático A. Thomas Geurtin del Departamento de Química del MIT y miembro del Instituto Koch para la Investigación Integral del Cáncer (Koch Institute for Integrative Cancer Research). Tras incorporar en polímeros comunes como el poliestireno y el caucho de estireno-butadieno-estireno (SBS) unas nuevas moléculas reticulantes llamadas mecanóforos (mechanophores), el equipo observó una mejora en la resistencia al impacto de proyectiles de los materiales. Los resultados, publicados en la revista Nature, podrían tener repercusiones en sectores como la automoción y la electrónica de consumo.
Johnson afirma que estos reticulantes pueden aumentar significativamente la energía absorbida por el material bajo impacto de proyectiles, y que si el método puede extenderse a otros polímeros, las perspectivas de aplicación serán muy amplias.
Esta innovación se basa en un concepto aparentemente paradójico: hacer el material más resistente introduciendo puntos débiles. El equipo del MIT añadió mecanóforos —que actúan como enlaces de reticulación débiles dispersos en el material—, permitiendo que el polímero disipe energía de manera más eficaz bajo deformación. Al ser impactados por un proyectil, estos enlaces débiles se rompen selectivamente en el punto de impacto, abriendo un canal para una mayor absorción de energía. El poliestireno es un polímero vítreo y rígido utilizado para fabricar envases de plástico, botellas, vasos, cubiertos desechables y revestimientos de dispositivos electrónicos. Según el MIT, aunque a veces se etiqueta con el código de reciclaje 6, el poliestireno es difícil de reciclar y rara vez se recolecta para su reutilización en Estados Unidos.
Este estudio se basa en una investigación de 2023 realizada por Johnson y sus colegas del MIT y la Universidad de Duke (Duke University), que demostró que los reticulantes débiles pueden hacer que los polímeros sean más resistentes en condiciones de desgarro lento. A medida que una grieta comienza a propagarse en el material, los mecanóforos se dividen en dos partes, ayudando a disipar energía y alterando la trayectoria de la grieta, lo que significa que se necesita más energía para rasgar el material.
A diferencia del trabajo anterior centrado en el desgarro lento, esta nueva investigación se enfoca en desarrollar estrategias basadas en mecanóforos para resistir deformaciones rápidas causadas por impactos repentinos. Los investigadores incorporaron mecanóforos directamente como reticulantes en polímeros comunes y luego los validaron mediante pruebas de impacto con microproyectiles inducidos por láser (LIPIT). El sistema LIPIT fue inventado por Keith Nelson, catedrático de Química Haslam and Dewey y coautor principal. En las pruebas, microesferas de sílice de aproximadamente 10 micrómetros de diámetro se dispararon a una velocidad de unos 750 metros por segundo contra películas de polímero, y se calculó la energía absorbida por el material midiendo el cambio de velocidad de las partículas antes y después de atravesar la película.
Los experimentos mostraron que el poliestireno reticulado con mecanóforos absorbe mucha más energía del impacto que el poliestireno común. Los investigadores atribuyen este comportamiento a una transición local de termoendurecible a termoplástico impulsada por la fuerza y el calentamiento adiabático, donde la rotura selectiva de los mecanóforos promueve la deformación viscoplástica en el punto de impacto, manteniendo al mismo tiempo la integridad de la red en las áreas circundantes. Los investigadores señalan que esta estrategia ha demostrado ser versátil tanto en el poliestireno vítreo como en el copolímero tribloque de estireno-butadieno-estireno (SBS) de tipo caucho. Estos resultados establecen la reticulación con mecanóforos como un principio de diseño para convertir polímeros comerciales en materiales resistentes a impactos, y abren una nueva dirección en la intersección de la mecanoquímica de polímeros y el comportamiento de materiales a altas tasas de deformación.
Mediante experimentos y simulaciones en colaboración con investigadores del MIT, la Universidad de Purdue (Purdue University), la Universidad Northwestern (Northwestern University) y la Universidad de Duke, el equipo descubrió cómo los mecanóforos mejoran la resistencia al impacto. Cuando una partícula de alta velocidad impacta el material, la temperatura en el punto de impacto aumenta lo suficiente como para formar una zona móvil. En esa zona, los enlaces de los mecanóforos se rompen selectivamente bajo la acción de la fuerza, abriendo canales controlados que absorben mejor la energía del impacto, mientras que las áreas fuera del punto de impacto permanecen relativamente intactas y estables. Yoan Simon, profesor asociado de la Facultad de Ciencias Moleculares de la Universidad Estatal de Arizona (Arizona State University), afirma que este método puede conferir esta propiedad a plásticos comerciales "listos para usar", tanto en estado vítreo como elastomérico, con un mínimo de intervención química, lo que lo hace bastante escalable y relevante.
Los investigadores han logrado insertar mecanóforos en caucho SBS (utilizado en suelas de zapatos, asfalto y materiales para techos) y han observado efectos similares. Están explorando si el método puede aplicarse al caucho de estireno-butadieno (uno de los principales componentes de los neumáticos). Si tiene éxito, la tecnología podría producir neumáticos más duraderos y reducir los microplásticos generados por el contacto entre el neumático y la carretera —que representan al menos el 10% de los microplásticos en el medio ambiente—. El equipo también está investigando si el método es aplicable a otros tipos de polímeros, como el látex. Katharine Covert, directora del programa del Centro de Innovación Química de la Fundación Nacional de Ciencias (NSF), afirma que los materiales que contienen mecanóforos absorbentes de energía podrían algún día ayudar a prevenir reventones de neumáticos en autopistas o proporcionar carcasas más protectoras para dispositivos electrónicos personales.
Esta investigación fue financiada por el Centro de Química de Redes Molecularmente Optimizadas de la Fundación Nacional de Ciencias, la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU. (U.S. Army Research Office) a través del Instituto de Nanotecnologías para Soldados del MIT (Institute for Soldier Nanotechnologies), la Beca Postdoctoral de Ciencias Schmidt (Schmidt Science Postdoctoral Fellowship) y la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea de EE. UU. (U.S. Air Force Office of Scientific Research). Los ex postdoctorados del MIT Zhen Sang y Suong T. Nguyen, así como el estudiante de posgrado del MIT Kwangwook Ko, son los primeros autores del artículo.
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