Desenvolvendo um elastômero futurista com cristalização induzida por deformação ultra-alta
Elastômeros em estrela com ligação terminal desinchados. (A) O DELSE se forma através de reticulação controlada de macrômeros em estrela seguido de evaporação do solvente para formar uma rede polimérica reticulada homogênea (as ilustrações são exageradas para destacar diferenças arquitetônicas). (B) Os elastômeros convencionais se formam através de processos de reticulação aleatória, como vulcanização de longas cadeias poliméricas ou gelificação de monômeros. (C) A arquitetura mais homogênea suporta o alinhamento da cadeia durante o alongamento, causando a formação de domínio cristalino no DELSE. (D) Em contraste, barreiras físicas como emaranhados presos e heterogeneidades limitam o efeito do SIC em elastômeros comuns. (E) A distância RMS ponta a ponta das cadeias de polímeros em um DELSE nas escalas de estado indeformadas como N1/3, conforme validado por (F) simulação de dinâmica molecular (inserção de conformação de cadeia simulada representativa). (G) A distância RMS ponta a ponta das cadeias de polímeros em um elastômero convencional no estado indeformado é dimensionada como N1/2, conforme validado por (H) simulação de dinâmica molecular (inserção de conformação de cadeia simulada representativa). Crédito:Avanços da Ciência (2023). DOI:10.1126/sciadv.adj0411 A cristalização induzida por tensão pode fortalecer, endurecer e facilitar um efeito elastocalórico em elastômeros. A cristalinidade resultante pode ser induzida por estiramento mecânico em elastômeros comuns que normalmente fica abaixo de 20%, com um patamar de estirabilidade.
Em um novo relatório agora publicado na Science Advances , Chase M. Hartquist e uma equipe de cientistas em engenharia mecânica e ciências de materiais do MIT e da Duke University, nos EUA, usaram uma classe de elastômeros formados por ligação final para atingir uma porcentagem de cristalinidade induzida por deformação.
O elastômero estrela desinchado e ligado nas extremidades, abreviado como DELSE, atingiu uma elasticidade ultra-alta em escala, além do limite saturado dos elastômeros comuns, para promover um alto efeito elastocalórico com uma mudança adiabática de temperatura.
Cristalização induzida por tensão
O processo de cristalização induzida por deformação é comum em elastômeros e géis onde cadeias poliméricas amorfas podem se transformar em domínios altamente orientados e alinhados devido a uma deformação mecânica aplicada. Como os domínios cristalinos orientados e alinhados podem resistir à extensão e ao embotamento da fissura para facilitar a deflexão da fissura, o processo de cristalização induzida por deformação preservou a integridade da rede, ao mesmo tempo em que alcançou quase 100% de recuperação em segundos.
O método desempenha um papel fundamental em uma variedade de aplicações, incluindo resfriamento elastocalórico e atuação baseada em deformação.
O processo típico de cristalinidade induzida por deformação em elastômeros comuns é inferior a 20%, enquanto a borracha natural atinge apenas cerca de 15% de cristalinidade quando esticada até seis vezes seu comprimento inicial à temperatura ambiente. Neste novo trabalho, Hartquist e uma equipe de pesquisadores descreveram uma classe de elastômeros em estrela desinchados e ligados nas extremidades para atingir até 50% de cristalinidade induzida por deformação. Os cientistas creditaram a cristalização induzida por deformação ultra-alta a uma estrutura de rede uniforme e uma alta elasticidade para obter os resultados esperados. SIC ultra-alto do DELSE. (A) Os padrões WAXS e SAXS mostram o desenvolvimento estrutural do DELSE a 55°C em comparação com o DELE a 55°C e NR a 22°C quando esticado mecanicamente. O perfil de intensidade WAXS desenvolve picos cristalinos para (B) o DELSE e (C) NR durante o alongamento. (D) O índice de cristalinidade aumenta mais dramaticamente para o DELSE em comparação com o NR. (E) A deconvolução das varreduras WAXS fornece a distribuição de fases orientadas e não orientadas. (F) A cristalinidade induzida por tensão do DELSE medida a partir da deconvolução do padrão WAXS é comparada com o DELE e valores relatados para várias borrachas comuns com SIC. Barras de erro indicam desvios padrão. Crédito:Avanços da Ciência (2023). DOI:10.1126/sciadv.adj0411 Para estudar as características adicionais do elastômero, a equipe usou a análise de raios X para mostrar como a estrutura e o elastômero estrela desinchado e ligado às extremidades induzido por tensão promoveram a cristalinidade quando comparado aos elastômeros comuns. A equipe de pesquisa analisou ainda a estrutura cristalina formada usando análise detalhada de raios X, onde os elastômeros estelares desinchados e ligados nas extremidades exibiram um ponto de difração para marcar a formação de cristais de poli(dióxido de etileno) em uma estrutura helicoidal. Este elastômero promoveu maior cristalinidade induzida por deformação, quando comparado aos elastômeros comuns.
Desempenho mecânico e resfriamento elastocalórico
A equipe de pesquisa conduziu a caracterização mecânica a 60°C para investigar a cristalização induzida por deformação ultra-alta em elastômeros ligados nas extremidades desinchados, o que promoveu efetivamente alta tenacidade, com baixa histerese de tensão-estiramento. Hartquist e a equipe reforçaram os materiais mais macios introduzindo ligações reversíveis para induzir grande histerese tensão-estiramento.
Os pesquisadores estudaram ainda a elasticidade dos elastômeros para mostrar como os materiais se estendiam além dos limites das redes emaranhadas para aplicações mais amplas. Eles então estudaram o potencial de uso de um material calórico para aplicações de resfriamento de estado sólido, investigando o efeito elastocalórico em elastômeros estrela ligados nas extremidades desinchados e compararam os resultados com elastômeros convencionais.
Os cientistas investigaram o potencial de uso de um material calórico para aplicações de resfriamento de estado sólido, estudando os efeitos elastocalóricos em elastômeros estrela ligados nas extremidades desinchados quando comparados com a borracha natural. Um ciclo de resfriamento elastocalórico ideal pode aproveitar a diminuição na conformação da entropia para aumentar a entropia térmica e aquecer o material a granel.
Em elastômeros com cristalização induzida por deformação, o calor latente adicional contribuiu para a formação de cristalitos para aumentar o efeito. O aumento da elasticidade e a distribuição uniforme do comprimento da cadeia do material aumentaram o efeito elastocalórico teórico, quando comparado aos elastômeros convencionais. Esses elastômeros formaram fortes candidatos adequados para tecnologias avançadas de resfriamento de estado sólido. Efeito elastocalórico do DELSE. (A) Esquemas indicam a destruição de domínios cristalinos e ruptura do alinhamento da cadeia polimérica durante a retração adiabática. (B) Imagens térmicas do DELSE durante a retração. A carga mecânica aplicada e a temperatura superficial medida são registradas para o (C) DELSE e (D) NR durante o processo de retração. Crédito:Avanços da Ciência (2023). DOI:10.1126/sciadv.adj0411 Perspectiva
Desta forma, os cientistas de materiais Chase M. Hartquist e colegas compararam o elastômero estrela desinchado e ligado nas extremidades com a borracha natural para mostrar sua maior estabilidade, química diferente do polímero e estrutura bem formada que aumentou combinatoriamente a cristalização induzida por deformação e o efeito elastocalórico em materiais elastoméricos. A comparação entre os materiais revelou a sua extensibilidade e química, bem como a importância da estrutura relativamente homogênea.
Desde a descoberta do elástico por JR Katz em 1924 devido à cristalização induzida por tensão, este biomaterial tem desempenhado um papel significativo na sociedade, desde utensílios domésticos até pneus de automóveis. Neste relatório, a equipe descreveu os elastômeros de próxima geração desenvolvidos com profunda cristalização induzida por deformação que excedeu as dimensões da borracha natural e de outros materiais comuns.
Os materiais desenvolvidos mostraram capacidade de superar os equivalentes convencionais, sugerindo a capacidade de projetar materiais macios regulando sua arquitetura de rede. Esses materiais desempenham um papel crucial na construção de estruturas aeroespaciais futurísticas, dispositivos médicos e para aplicações de refrigeração elastocalórica.
Mais informações: Chase M. Hartquist et al, Um elastômero com cristalização induzida por deformação ultra-alta, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adj0411 Informações do diário: Avanços da Ciência
