O mundo está repleto de uma infinidade de sons e vibrações – os tons suaves de um piano flutuando pelo corredor, o ronronar relaxante de um gato deitado em seu peito, o zumbido irritante das luzes do escritório. Imagine ser capaz de sintonizar seletivamente ruídos de uma determinada frequência.



Pesquisadores da Universidade de Illinois Urbana-Champaign sintetizaram redes poliméricas com duas arquiteturas distintas e pontos de ligação cruzada capazes de trocar dinamicamente fios de polímero para entender como a conectividade da rede e os mecanismos de troca de ligações governam o comportamento geral de amortecimento da rede. A incorporação de ligações dinâmicas na rede polimérica demonstra excelente amortecimento de som e vibrações em frequências bem definidas.

“Esta pesquisa trata do uso de polímeros para absorver vários sons e vibrações que podem ocorrer em diferentes frequências”, diz o professor de ciência e engenharia de materiais Chris Evans, que liderou este trabalho. "Queremos saber como projetar a química do polímero em escala molecular de tal forma que possamos controlar que tipo de capacidade de absorção de energia ele possui."

Os resultados desta nova pesquisa foram publicados recentemente na Nature Communications .

Ser capaz de adaptar polímeros para absorver frequências específicas pode ser benéfico para uso em protetores auriculares e capacetes para pessoas próximas a explosões ou explosões e em cenários com exposição repetida a uma determinada frequência de ruído, como um piloto de helicóptero, onde essa exposição de longo prazo pode levar a problemas auditivos.

Os polímeros são moléculas de cadeia longa compostas por muitas unidades repetidas. Alguns polímeros não são totalmente lineares e possuem galhos, como árvores; e outros polímeros são altamente reticulados onde cadeias poliméricas individuais são conectadas por ligações covalentes a outras cadeias, como uma rede. O ponto de ligação cruzada é uma ligação que liga uma cadeia polimérica a outra, e é aqui que as ligações podem ser trocadas.

As ligações dinâmicas dentro de uma rede polimérica permitem reorganizar sua estrutura em resposta a uma mudança no ambiente (alta temperatura, pH, exposição à luz UV, etc.). A substituição de algumas ligações covalentes em estruturas poliméricas reticuladas por ligações dinâmicas pode melhorar as propriedades do polímero, como o módulo – a rigidez do material – e a viscosidade – a facilidade com que o material flui. As ligações dinâmicas fornecem materiais com propriedades únicas, como autocura, superextensibilidade, propriedades adesivas e resistência do material devido à modificação das propriedades viscoelásticas.

“O principal avanço aqui é que estamos usando ligações covalentes dinâmicas”, explica Evans. "São ligações químicas, mas podem trocar entre si (a parte dinâmica) e quando dois produtos químicos diferentes são usados; eles podem trocar em escalas de tempo muito diferentes (a parte ortogonal). Estamos usando esse processo para tentar controlar o que frequências de som e vibração que estamos absorvendo."

A incorporação de ligações ortogonais, onde as ligações rápidas só podem ser trocadas com outras ligações rápidas e as ligações lentas só podem ser trocadas com outras ligações lentas, gera modos de relaxamento múltiplos e bem separados, o que confere à rede excelente amortecimento e propriedades mecânicas aprimoradas, como tenacidade.

A equipe fez uma série de polímeros que controlavam tipos de arquiteturas e backbones e observaram a forma como as cadeias poliméricas estão conectadas. Evans diz que na verdade faz uma grande diferença a forma como as cadeias poliméricas são conectadas para obter os processos de dissipação de energia em escalas de tempo muito específicas que corresponderiam a ondas sonoras ou vibrações muito específicas. Se as cadeias estiverem ligadas apenas nas extremidades, isto não é tão eficaz como estar ligadas periodicamente ao longo da espinha dorsal da cadeia.

Uma das principais limitações dos materiais utilizados nesta pesquisa, entretanto, é que eles, em última análise, fluem. Por exemplo, os elásticos manterão sua forma, mas quando essas ligações dinâmicas forem adicionadas, eles sempre fluirão, como uma massa boba. Isso é bom para, digamos, um capacete de soldado onde o material está contido dentro da carcaça do capacete, mas não tanto para um protetor de ouvido. Evans diz que seu grupo está trabalhando em maneiras de fazer com que o polímero seja um material mais independente e, no futuro, eles gostariam de incorporar ligações mais dinâmicas, para que o polímero não seja adaptado apenas para uma frequência específica, mas para uma faixa muito mais ampla de frequências.

Chris Evans também é afiliado do Laboratório de Pesquisa de Materiais e do Instituto Beckman de Ciência e Tecnologia Avançada da UIUC.

Outros colaboradores para este trabalho incluem Sirui Ge (departamento de ciência e engenharia de materiais e Laboratório de Pesquisa de Materiais da UIUC) e Yu-Hsuan Tsao (departamento de ciência e engenharia de materiais e Laboratório de Pesquisa de Materiais da UIUC).

Mais informações: Sirui Ge et al, A arquitetura Polymer dita múltiplos processos de relaxamento em redes soft com duas ligações dinâmicas ortogonais, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43073-w
Informações do diário: Comunicações da Natureza

Fornecido pela Faculdade de Engenharia Grainger da Universidade de Illinois