211service.com
Materiales nanotecnológicos ultrarresistentes
Los investigadores han utilizado nanopartículas de arcilla para modificar un material polimérico, haciéndolo 20 veces más rígido, 4 veces más resistente y capaz de soportar temperaturas que son más del doble de calientes. Los nuevos materiales podrían eventualmente usarse en telas resistentes y ligeras, materiales de embalaje menos voluminosos y piezas de automóvil mucho más ligeras.
Las estructuras microscópicas en un nuevo material nano-reforzado ultrarresistente cambian de forma bajo tensión, alterando la forma en que reflejan la luz.
El trabajo es parte de un esfuerzo creciente para diseñar materiales con estructuras a nanoescala que imiten a las que se encuentran en la naturaleza, como las de las conchas marinas ultra fuertes. (Véase Silicio y Sol.) En el trabajo actual, los investigadores del programa del MIT en ciencia y tecnología de polímeros mejoraron en gran medida las propiedades de un poliuretano elástico utilizado en aplicaciones biomédicas al dispersar diminutas partículas de arcilla a lo largo de él.
El poliuretano elástico está hecho normalmente de dos tipos de polímeros, uno duro y cristalino y el otro un polímero blando enredado. Los investigadores desarrollaron un método para reforzar las estructuras rígidas con plaquetas de arcilla delgadas, planas y a nanoescala. Las nanopartículas de arcilla unen las cadenas de polímero duro en una red continua que se extiende por todo el polímero blando.
El resultado es un material que tiene propiedades que normalmente son difíciles de combinar: rigidez y elasticidad. En el pasado, otros han encontrado formas de hacer que el material sea más rígido, pero eso vino con una compensación, dice el investigador principal Gareth McKinley, profesor de ingeniería mecánica en el MIT. En intentos anteriores, un material hecho siete veces más rígido se volvió más frágil y se rompió, dice. McKinley ha hecho que el material sea más fuerte aún 23 veces más fuerte, una medida asociada con la resistencia del material, sin hacerlo quebradizo. Podemos hacerlo más fuerte y mantenerlo agradable y elástico, dice.
Dado que el nuevo material es rígido, se necesita una cantidad significativa de energía para deformarlo. Pero incluso una vez que el material comienza a deformarse, no se rompe. En cambio, absorbe aún más energía a medida que se estira. De hecho, el material nano-reforzado absorberá hasta cuatro veces la cantidad de energía que el material original sin romperse.
La mayor tenacidad significa que se puede utilizar mucho menos material, hasta un 75 por ciento menos. Las láminas delgadas del material, aunque resistentes al desgarro, serían lo suficientemente flexibles como para servir como empaque, como para las comidas listas para comer (MRE) de los militares, dice McKinley. El material también podría hilarse en fibras para hacer telas flexibles pero resistentes al desgarro.
El nuevo material también es resistente al calor: las partículas de arcilla mejoran enormemente la resistencia a altas temperaturas de estos polímeros, dice McKinley. El poliuretano original comienza a ablandarse alrededor de los 100 ° C, pierde su rigidez y se rompe fácilmente. Pero el nuevo material es resistente al calor hasta 200 grados, lo que significa que podría usarse en aplicaciones como el capó de un automóvil. Debido a que los materiales son livianos, el ahorro de combustible podría ser potencialmente muy grande, dice McKinley.
Si bien Evangelos Manias, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad Estatal de Pensilvania, dice que el nuevo material es impresionante, advierte que el proceso limita las formas en que se puede usar el material. Si se calienta demasiado mientras se incorpora a un producto, las partículas de arcilla pueden aglutinarse y hacer que se pierdan las propiedades mejoradas.
Manias dice que aún más significativo que el nuevo material es el proceso utilizado para fabricarlo. Ha sido difícil dispersar uniformemente nanopartículas como las arcillas en los polímeros porque tienen propiedades químicas incompatibles: la arcilla atrae el agua, mientras que los polímeros la repelen. El problema se vuelve más desafiante en este caso porque las nanopartículas de arcilla deben conectarse solo con los segmentos duros del poliuretano y no con la malla polimérica suave y elástica. De lo contrario, el material perderá su elasticidad.
Para que sea posible ubicar las nanopartículas de arcilla en los lugares correctos, McKinley y sus colegas del MIT desarrollaron un sistema que utiliza dos solventes, uno para dispersar las nanopartículas de arcilla y el otro para disolver el polímero. Estos dos disolventes se mezclan luego hasta que las nanopartículas suspendidas se esparcen uniformemente por todo el polímero disuelto. El solvente que disolvió el polímero luego se evapora, dejando una maraña de polímero que atrapa las partículas de arcilla. Debido a que este método no altera químicamente las nanopartículas, como se ha hecho en otros enfoques, las partículas retienen una afinidad química con las estructuras rígidas dentro del poliuretano, lo que hace que se conecten a estas y no a las partes blandas de la estructura.
Manias dice que este proceso podría aplicarse a una amplia variedad de sistemas, utilizando diferentes nanopartículas, como nanotubos, para hacer materiales aún más notables. Lo más importante es que esto se puede aplicar de manera más amplia que solo el poliuretano, dice. Hay campos completos de la ciencia en los que esto se puede aplicar.