Uma ampla gama de materiais à base de polímeros, de borracha de pneu e neoprene de roupa de neoprene a roupas de lycra e silicone, são elastômeros valorizados por sua capacidade de flexionar e esticar sem quebrar e retornar à sua forma original.

Tornar esses materiais mais fortes geralmente significa torná-los mais frágeis. Isso é porque, estruturalmente, os elastômeros são redes bastante disformes de fios de polímero - muitas vezes comparados a um feixe de macarrão espaguete desorganizado - mantidos juntos por algumas ligações cruzadas químicas. O fortalecimento de um polímero requer o aumento da densidade das ligações cruzadas entre os fios, criando mais ligações. Isso faz com que os fios do elastômero resistam ao alongamento um do outro, dando ao material uma estrutura mais organizada, mas também tornando-o mais rígido e sujeito a falhas.

Inspirado pelo difícil, fios flexíveis de bissal polimérico que os mexilhões marinhos usam para se prender às superfícies na zona intertidal acidentada, uma equipe de pesquisadores afiliados ao Laboratório de Pesquisa de Materiais (MRL) da UC Santa Bárbara desenvolveu um método para superar o trade-off inerente entre resistência e flexibilidade em polímeros elastoméricos. As descobertas do grupo aparecem no jornal Ciência .

"Na década passada, fizemos avanços tremendos na compreensão de como os materiais biológicos mantêm a resistência sob carga, "disse a autora correspondente Megan Valentine, professor associado do Departamento de Engenharia Mecânica da UCSB. "Nesse artigo, demonstramos nossa capacidade de usar esse conhecimento para desenvolver materiais úteis feitos pelo homem. Este trabalho abre caminhos emocionantes de descoberta para muitas aplicações comerciais e industriais. "

Esforços anteriores também inspirados na química da cutícula do mexilhão foram limitados a úmidos, sistemas suaves, como hidrogéis. Por contraste, os pesquisadores da UCSB incorporaram as ligações de coordenação de ferro inspiradas no mexilhão em um sistema polimérico seco. Isso é importante porque tal polímero seco poderia potencialmente ser substituído por materiais rígidos, mas quebradiços, especialmente em aplicações relacionadas a impacto e torção.

"Descobrimos que a rede úmida era 25 vezes menos rígida e quebrou com um alongamento cinco vezes menor do que uma rede seca construída de forma semelhante, "explicou a co-autora Emmanouela Filippidi, um pesquisador de pós-doutorado no Valentine Lab na UCSB. "É um resultado interessante, mas um esperado. O que é realmente impressionante é o que aconteceu quando comparamos a rede seca antes e depois de adicionar o ferro. Não apenas manteve sua elasticidade, mas também se tornou 800 vezes mais rígido e 100 vezes mais resistente na presença dessas ligações ferro-catecol reconfiguráveis. Isso foi inesperado."

Para conseguir redes com arquitetura e desempenho semelhantes aos da cutícula do bissal do mexilhão, a equipe sintetizou um amorfo, rede epóxi fracamente reticulada e, em seguida, tratada com ferro para formar reticulações dinâmicas de ferro-catecol. Na ausência de ferro, quando uma das ligações cruzadas covalentes quebra, está quebrado para sempre, porque não existe nenhum mecanismo de autocura. Mas quando as ligações reversíveis de coordenação ferro-catecol estão presentes, qualquer uma dessas ligações cruzadas quebradas contendo ferro pode se reformar, não necessariamente no mesmo lugar, mas nas proximidades, mantendo assim a resiliência do material mesmo quando sua resistência aumenta. O material é mais rígido e resistente do que redes semelhantes sem ligações de coordenação contendo ferro.

À medida que a rede de ferro-catecol é esticada, não armazena a energia, então, quando a tensão é liberada, o material não salta para trás como um elástico, mas, em vez, dissipa a energia. O material então se recupera lentamente para reassumir sua forma original, da mesma forma que um material viscoelástico, como a espuma viscoelástica, faz depois que a pressão sobre ele é liberada.

"Um material com essa característica, chamado de 'plástico dissipador de energia, 'é útil para revestimentos, "disse o co-autor Thomas Cristiani, um estudante de graduação da UCSB no Grupo Israelachvili. "Seria um ótimo estojo para celular porque absorveria uma grande quantidade de energia, assim, o telefone teria menos probabilidade de quebrar com o impacto no chão e ficaria protegido. "

O sistema a seco que os pesquisadores usaram é importante por dois motivos. Em um sistema úmido, a rede absorve água, fazendo com que as cadeias de polímero se estiquem, portanto, não resta muita flexibilidade extra. Mas com um material seco, os fios amorfos semelhantes a espaguete são inicialmente muito compactos, com muito espaço para se esticar. Quando as ligações cruzadas de ferro são adicionadas para fortalecer o polímero, a elasticidade do material seco não é comprometida, porque esses laços podem quebrar, para que as cadeias de polímero não fiquem travadas no lugar. Adicionalmente, remover a água da rede resulta em catecol e ferro mais próximos e capazes de formar regiões de alta conectividade, o que melhora as propriedades mecânicas.

"Essa diferença entre a resposta em sistemas úmidos e secos é enorme e torna nossa abordagem uma virada de jogo em termos de sintetização de materiais de engenharia úteis para aplicações de alto impacto, "Valentine disse.