Nanoparticelle di silice apposte con una distribuzione di catene di polistirene (viola) di sé in reticoli esagonali. A seconda di come le catene sono organizzate sulla superficie delle particelle, si aggrovigliano (viola) o si uniscono (blu) quando sono compressi.
I fisici hanno trovato un modo completamente nuovo di solidificare i materiali aprendo una nuova strada ai compositi che è diversa dai metodi tradizionali
Gli adesivi compositi come le resine epossidiche sono strumenti eccellenti per unire e riempire materiali tra cui legno, metallo e cemento. Ma c'è un problema: una volta che un composito si è solidificato, rimane lì per sempre. Ora c'è un modo migliore. I ricercatori hanno sviluppato un semplice polimero che funge da riempitivo forte e stabile che può essere successivamente sciolto. Funziona come una palla di filo aggrovigliata che, quando tirata, si srotola in fibre separate.
Un nuovo studio, pubblicato su Advanced Materials (1), condotto dai ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Department of Energy, delinea un modo per progettare pseudo-legami nei materiali. Invece di formare legami chimici, che è ciò che rende gli epossidici e altri compositi così resistenti, le catene di molecole si aggrovigliano in un modo completamente reversibile.
«Questa è una modalità completamente nuova di solidificare i materiali. Apriamo una nuova strada ai compositi che non segue i metodi tradizionali», ha affermato la dottoressa Ting Xu (2), una scienziata senior della facoltà presso il Berkeley Lab e uno degli autori principali dello studio.
Tradizionalmente, ci sono due metodi per rendere i materiali polimerici resistenti e tenaci. Nel primo, l'aggiunta di un agente di presa crea una rete reticolata di molecole polimeriche tenute insieme da legami chimici permanenti. Nel secondo, l'aumento della lunghezza delle catene di molecole polimeriche fa sì che diventino sempre più aggrovigliate, così che non possano separarsi. Quest'ultima, ha proposto Xu, offre la possibilità di un design reversibile. Ha paragonato il concetto alle proteine piegate che interagiscono senza legami chimici per creare strutture robuste in natura e possono in seguito dispiegarsi nei loro filamenti costituenti.
La professoressa Xu, insieme ai suoi colleghi della Materials Sciences Division del Berkeley Lab, voleva sviluppare questo concetto e iniziare con una serie di semplici catene di polistirene, aggrovigliarle insieme in una struttura resistente e stabile e poi riportare il materiale al punto di partenza. «Diciamo che hai una palla di lana, ed è un pasticcio. Non riesci a districarla», ha detto Xu. «Ma se giochi con il filato, forse puoi ingannarlo per districarlo».
Con questo in mente, i ricercatori hanno attaccato catene di polistirene a particelle di silice di cento nanometri di diametro, per creare ciò che Xu ha soprannominato “particelle pelose”. Formando nanocompositi, queste particelle pelose si autoassemblavano in una struttura simile a un cristallo, fornendo spazi diversi tra ogni unità che i polimeri pelosi potevano riempire. Lo spazio disponibile per ogni catena di polistirene dipendeva dalla sua posizione nella struttura e, pertanto, determinava quanto si aggrovigliava con le sue vicine.
Confinando le catene polimeriche in questi piccoli spazi con geometrie diverse, Xu ha ridotto la libertà con cui qualsiasi cluster di catene di polistirene poteva muoversi, esercitando così un controllo su quanto si aggrovigliassero. O, come si è scoperto, su quanto non si aggrovigliassero: per certe disposizioni, la risposta alla compressione era che un cluster specifico di catene di polistirene si allentava in risposta a una forza applicata.
«Il grado di entanglement che si verifica con le particelle determina la loro risposta a una forza esterna», ha affermato Ting Xu, che è anche docente presso il College of Engineering e il College of Chemistry dell'UC Berkeley. Regolando la dimensione della catena di polistirene, nonché dove e quante catene erano fissate con precisione a ciascuna sfaccettatura della particella di silice, è riuscita a modificare il modo in cui la struttura rispondeva per dissipare gli stress esterni. In definitiva, questi parametri hanno fornito la chiave per progettare “pseudo legami” basati sull'entanglement.
Studi di microscopia hanno rivelato che mentre alcune catene diventavano rigide sotto confinamento, altre alla fine si districavano e si allungavano per dissipare lo stress esterno. Il risultato era un materiale a film sottile, resistente e resistente, tenuto saldamente insieme da pseudo legami di catene di polistirene aggrovigliate. L'aggiunta di piccole quantità di catene di polistirene stesse agli assemblaggi di nanoparticelle aumentava le proprietà finali di carico di un altro 50%.
«Eravamo davvero entusiasti di poter ora manovrare l'organizzazione del polimero amorfo usando il nanoconfinamento», ha detto Xu. Finora, i polimeri amorfi erano spesso aggrovigliati in modo casuale, mentre le proteine si ripiegavano bene. Le variazioni nella disposizione della catena di polistirene ora colpiscono un punto debole che può essere utilizzato per progettare compositi in modo intelligente. Inoltre, aggiungendo una goccia di solvente e mescolando, il nanocomposito si è dissolto nuovamente nelle sue particelle costituenti sospese: non c'erano legami chimici da rompere, consentendo ai materiali di essere rielaborati.
Secondo Xu, lo studio del Berkeley Lab può essere facilmente esteso ad altri polimeri e riempitivi. Il polistirene è uno dei polimeri più comuni e la silice è una nanoparticella economica; tuttavia, Xu ipotizza che i risultati si applicheranno anche ad altri compositi. Immagina un futuro con particelle che hanno altre proprietà ottiche o magnetiche, ad esempio, per creare compositi destinati a dispositivi optoelettronici. «Possiamo avere sia resistenza che tenacità, semplicemente modulando il modo in cui i polimeri sono distribuiti», ha concluso la professoressa Xu.
Questa ricerca ha utilizzato risorse presso tre strutture utente dell'Office of Science del DOE presso il Berkeley Lab: Advanced Light Source, Molecular Foundry e National Energy Research Scientific Computing Center. Il lavoro è stato supportato dall'Office of Science (BES) del Department of Energy.
Il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) (3) è impegnato in una ricerca pionieristica incentrata sulla scienza della scoperta e sulle soluzioni per forniture energetiche abbondanti e affidabili. Le competenze del laboratorio spaziano tra materiali, chimica, fisica, biologia, scienze della terra e ambientali, matematica e informatica. Ricercatori da tutto il mondo si affidano alle strutture scientifiche di livello mondiale del laboratorio per la loro ricerca pionieristica. Fondato nel 1931 sulla convinzione che i problemi più grandi siano meglio affrontati dai team, il Berkeley Lab e i suoi scienziati sono stati riconosciuti con 16 premi Nobel. Il Berkeley Lab è un laboratorio nazionale multiprogramma gestito dall'University of California per l'U.S. Department of Energy’s Office of Science.
L'Office of Science del DOE è il singolo più grande sostenitore della ricerca di base nelle scienze fisiche negli Stati Uniti e sta lavorando per affrontare alcune delle sfide più urgenti del nostro tempo. Per maggiori informazioni, visita (4).
Riferimenti:
(1) Reversible Nanocomposite by Programming Amorphous Polymer Conformation Under Nanoconfinement
(2) Ting Xu
(3) Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab)
(4) Office of Science | Department of Energy
Descrizione foto: Nanoparticelle di silice apposte con una distribuzione di catene di polistirene (viola) di sé in reticoli esagonali. A seconda di come le catene sono organizzate sulla superficie delle particelle, si aggrovigliano (viola) o si uniscono (blu) quando sono compressi. - Credit: Tiffany Chen; Ting Xu.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: A New Way to Engineer Composite Materials