Polymeerwetenschap heeft rubberen banden mogelijk gemaakt, teflon en kevlar, plastic waterflessen, nylon jacks en vele andere alomtegenwoordige kenmerken van het dagelijks leven. Elastische polymeren, bekend als elastomeren, kunnen herhaaldelijk worden uitgerekt en losgelaten en worden gebruikt in toepassingen zoals handschoenen en hartkleppen, waar ze lang mee moeten gaan zonder te scheuren. Maar een raadsel houdt polymeerwetenschappers al lang tegen:elastische polymeren kunnen stijf zijn, of ze kunnen hard zijn, maar ze kunnen niet allebei zijn.

Dit stijfheid-taaiheidsconflict is een uitdaging voor wetenschappers die polymeren ontwikkelen die kunnen worden gebruikt in toepassingen zoals weefselregeneratie, biologische kleefstoffen, bioprinten, draagbare elektronica, en zachte robots.

In een artikel dat vandaag is gepubliceerd in Wetenschap , onderzoekers van de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) hebben dat al lang bestaande conflict opgelost en een elastomeer ontwikkeld dat zowel stijf als taai is.

"Naast het ontwikkelen van polymeren voor opkomende toepassingen, wetenschappers staan ​​voor een dringende uitdaging:plasticvervuiling, " zei Zhigang Suo, de Allen E. en Marilyn M. Puckett hoogleraar mechanica en materialen, de senior auteur van de studie. "De ontwikkeling van biologisch afbreekbare polymeren heeft ons opnieuw teruggebracht tot fundamentele vragen:waarom zijn sommige polymeren taai, maar andere broos? Hoe zorgen we ervoor dat polymeren bestand zijn tegen scheuren bij herhaaldelijk uitrekken?"

Polymeerketens worden gemaakt door monomeerbouwstenen aan elkaar te koppelen. Om een ​​materiaal elastisch te maken, de polymeerketens zijn verknoopt door covalente bindingen. Hoe meer kruisverbindingen, hoe korter de polymeerketens en hoe stijver het materiaal.

"Als je polymeerketens korter worden, de energie die je in het materiaal kunt opslaan wordt minder en het materiaal wordt broos, " zei Junsoo Kim, een afgestudeerde student aan SEAS en co-eerste auteur van het papier. "Als je maar een paar crosslinks hebt, de kettingen zijn langer, en het materiaal is taai, maar het is te zacht om bruikbaar te zijn."

Om een ​​polymeer te ontwikkelen dat zowel stijf als taai is, de onderzoekers keken naar fysieke, in plaats van chemische bindingen om de polymeerketens te verbinden. Deze fysieke banden, verstrikkingen genoemd, zijn in het veld al bijna net zo lang bekend als de polymeerwetenschap, maar men denkt dat ze alleen invloed hebben op stijfheid, niet taaiheid.

Maar het SEAS-onderzoeksteam ontdekte dat met voldoende verstrikkingen, een polymeer kan taai worden zonder afbreuk te doen aan de stijfheid. Om sterk verstrengelde polymeren te maken, de onderzoekers gebruikten een geconcentreerde monomeerprecursoroplossing met 10 keer minder water dan andere polymeerrecepten.

"Door alle monomeren met minder water in deze oplossing te stoppen en het vervolgens te polymeriseren, we dwongen ze om verstrikt te raken, als verwarde draden van garen, " zei Guogao Zhang, een postdoctoraal onderzoeker bij SEAS en co-eerste auteur van het artikel. "Net als bij gebreide stoffen, de polymeren behouden hun verbinding met elkaar door fysiek met elkaar verweven te zijn."

Met honderden van deze verwikkelingen, er zijn slechts een handvol chemische verknopingen nodig om het polymeer stabiel te houden.

"Als elastomeren, deze polymeren hebben een hoge taaiheid, kracht, en weerstand tegen vermoeidheid, " zei Meixuanzi Shi, een gastonderzoeker bij SEAS en co-auteur van het artikel. "Als de polymeren in water worden ondergedompeld om hydrogels te worden, ze hebben een lage wrijving, en hoge slijtvastheid."

Die hoge vermoeiingsweerstand en hoge slijtvastheid verhogen de duurzaamheid en levensduur van de polymeren.

"Ons onderzoek toont aan dat door gebruik te maken van verstrengelingen in plaats van crosslinks, we zouden het verbruik van sommige kunststoffen kunnen verminderen door de duurzaamheid van de materialen te vergroten, " zei Zhang.

"We hopen dat dit nieuwe begrip van de polymeerstructuur de mogelijkheden voor toepassingen zal vergroten en de weg zal effenen voor duurzamere, duurzame polymeermaterialen met deze uitzonderlijke mechanische eigenschappen, " zei Kim.