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Materiali nanotecnologici ultra resistenti
I ricercatori hanno utilizzato nanoparticelle di argilla per modificare un materiale polimerico, rendendolo 20 volte più rigido, 4 volte più resistente e in grado di resistere a temperature più del doppio. I nuovi materiali potrebbero eventualmente essere utilizzati in robusti tessuti leggeri, materiali di imballaggio meno ingombranti e parti di automobili molto più leggere.
Strutture microscopiche in un nuovo materiale nano-rinforzato ultra resistente cambiano forma sotto stress, alterando il modo in cui riflettono la luce.
Il lavoro fa parte di uno sforzo crescente per progettare materiali con strutture su nanoscala che imitano quelli che si trovano in natura, come quelli delle conchiglie ultra resistenti. (Vedi Silicon and Sun.) Nel lavoro attuale, i ricercatori del programma del MIT in scienza e tecnologia dei polimeri hanno notevolmente migliorato le proprietà di un poliuretano elastico utilizzato nelle applicazioni biomediche disperdendo minuscole particelle di argilla al suo interno.
Il poliuretano elastico è normalmente costituito da due tipi di polimeri, uno duro e cristallino, l'altro un polimero morbido e aggrovigliato. I ricercatori hanno sviluppato un metodo per rinforzare le strutture rigide con piastrine di argilla sottili, piatte e su nanoscala. Le nanoparticelle di argilla collegano le catene polimeriche dure in una rete continua che attraversa il polimero morbido.
Il risultato è un materiale che ha proprietà che sono tipicamente difficili da combinare: rigidità ed elasticità. In passato, altri hanno trovato modi per rendere il materiale più rigido, ma ciò ha comportato un compromesso, afferma il ricercatore capo Gareth McKinley, professore di ingegneria meccanica al MIT. In precedenti tentativi, un materiale reso sette volte più rigido è diventato più fragile: si è spezzato, dice. McKinley ha reso il materiale ancora 23 volte più resistente, una misura associata alla resistenza del materiale, senza renderlo fragile. Siamo in grado di renderlo sia più forte che di mantenerlo bello ed elastico, dice.
Poiché il nuovo materiale è rigido, è necessaria una notevole quantità di energia per deformarlo. Ma anche una volta che il materiale inizia a deformarsi, non si rompe. Invece, assorbe ancora più energia mentre si allunga. Infatti, il materiale nano-rinforzato assorbirà fino a quattro volte la quantità di energia del materiale originale senza rompersi.
La maggiore tenacità significa che è possibile utilizzare molto meno materiale, fino al 75% in meno. Fogli sottili del materiale, pur essendo resistenti allo strappo, sarebbero abbastanza flessibili da fungere da imballaggio, ad esempio per i pasti pronti da mangiare (MRE) dei militari, afferma McKinley. Il materiale potrebbe anche essere filato in fibre per realizzare tessuti flessibili ma resistenti allo strappo.
Il nuovo materiale è anche resistente al calore: le particelle di argilla migliorano immensamente la resistenza alle alte temperature di questi polimeri, afferma McKinley. Il poliuretano originale inizia ad ammorbidirsi intorno ai 100°C, perdendo rigidità e rompendosi facilmente. Ma il nuovo materiale è resistente al calore fino a 200 gradi, il che significa che potrebbe essere utilizzato in applicazioni come il cofano di un'auto. Poiché i materiali sono leggeri, il risparmio di carburante potrebbe essere molto elevato, afferma McKinley.
Mentre Evangelos Manias, professore di scienza e ingegneria dei materiali presso la Pennsylvania State University, afferma che il nuovo materiale è impressionante, avverte che il processo limita le modalità di utilizzo del materiale. Se viene riscaldato troppo mentre viene incorporato in un prodotto, le particelle di argilla potrebbero aggregarsi, causando la perdita delle proprietà migliorate.
Manias afferma che ancora più significativo del nuovo materiale è il processo utilizzato per realizzarlo. È stato difficile disperdere uniformemente nanoparticelle come le argille nei polimeri perché hanno proprietà chimiche incompatibili: l'argilla attira l'acqua, mentre i polimeri la respingono. Il problema è reso più impegnativo in questo caso perché le nanoparticelle di argilla devono connettersi solo con i segmenti duri del poliuretano e non con la rete polimerica morbida ed elastica. Altrimenti il materiale perderà la sua elasticità.
Per rendere possibile localizzare le nanoparticelle di argilla nei punti giusti, McKinley e i suoi colleghi del MIT hanno sviluppato un sistema che utilizza due solventi, uno per disperdere le nanoparticelle di argilla e l'altro per dissolvere il polimero. Questi due solventi vengono quindi miscelati fino a quando le nanoparticelle sospese non si distribuiscono uniformemente nel polimero disciolto. Il solvente che ha sciolto il polimero viene quindi evaporato, lasciando dietro di sé un groviglio di polimero che intrappola le particelle di argilla. Poiché questo metodo non altera chimicamente le nanoparticelle, come è stato fatto in altri approcci, le particelle mantengono un'affinità chimica con le strutture rigide all'interno del poliuretano, che le fa connettere a queste e non alle parti morbide della struttura.
Manias afferma che questo processo potrebbe applicarsi a un'ampia varietà di sistemi, utilizzando diverse nanoparticelle, come i nanotubi, per realizzare materiali ancora più straordinari. La cosa più importante è che questo può essere applicato in modo più ampio del semplice poliuretano, dice. Ci sono interi campi della scienza in cui questo può essere applicato.