Le applicazioni dei polimeri sono numerosissime. Tra queste, ve ne sono alcune davvero particolari: avete mai sentito parlare di muscoli artificiali? Un team di ricerca ha sviluppato un elastomero molto promettente che potrebbe essere adatto a questo scopo: è elastico e può auto-ripararsi!
Analizziamo il comportamento di un elastomero molto particolare.
I muscoli animali sono dei biomateriali di estremo interesse: sono forti, elastici ed hanno la capacità di auto-ripararsi. Da buoni imitatori della natura, i membri della comunità scientifica cercano da tempo un materiale che possieda le stesse caratteristiche, per possibili utilizzi come “muscoli artificiali”. In particolare, la capacità di auto-ripararsi – come facilmente immaginabile – è quella più difficilmente ottenibile.
Alcuni polimeri sono stati progettati in modo tale da avere questa importante caratteristica, ma il processo di riparazione prevede spesso l’utilizzo di un input esterno, per esempio luce, calore o anche solventi, monomeri e catalizzatori. In alcuni casi, tali polimeri non riescono nemmeno ad adattarsi alle condizioni di utilizzo più standard, per esempio possono essere altamente sensibili all’umidità, che ne può compromettere il funzionamento (in quanto essi si basano su legami ad idrogeno influenzabili, quindi, dall’acqua).
Stop! Cos’è un polimero?
Un polimero è un materiale composto da numerosissime unità ripetitive. Per esempio: il polietilene (PE) è tra le plastiche più utilizzate ed è composto da unità ripetitive di etilene (CH2=CH2) che si ripetono una dopo l’altra. A seconda di quante unità ci sono, le proprietà meccaniche crescono, fino ad arrivare ad un valore limite.
Lo studio dei polimeri è vastissimo: comprende la sintesi di nuovi materiali, la caratterizzazione delle proprietà fisiche e chimiche, lo studio del comportamento delle catene polimeriche in soluzione e così via.
Elastomeri
Una categoria importante di polimeri è rappresentata dagli elastomeri. Come dice il nome, gli elastomeri sono materiali polimerici capaci di subire deformazioni elastiche. Tutti gli elastomeri sono essenzialmente polimeri amorfi, cioè non cristallini, la cui temperatura di transizione vetrosa è molto bassa.
Prima di proseguire dobbiamo fare un ultimo sforzo ed imparare cos’è questo parametro. La temperatura di transizione vetrosa è una temperatura al di sotto della quale il polimero amorfo si trova allo stato vetroso (ed è molto fragile). Cosa c’è dopo? Una caratteristica unica dei materiali polimerici: lo stato gommoso.
Questo stato dei polimeri è ampiamente sfruttato in moltissime applicazioni tecnologiche ed è una delle caratteristiche che li rende così importanti. Avere una Tg (cioè temperatura di transizione vetrosa) molto bassa, vuol dire che a temperatura ambiente il polimero è gommoso.
Nel dettaglio: l’elasticità è questione di legame chimico
Un team internazionale di ricerca ha recentemente pubblicato uno studio su Nature Chemistry in cui si è analizzato il comportamento di un nuovo elastomero, che si basa su legami di coordinazione.
Il primo step della ricerca è stato quello di studiare un composto di coordinazione molto particolare: vi è un atomo di Fe (II) che si lega a due leganti (denominati pdca) attraverso sei legami di coordinazione. Tutti i legami hanno differente forza: in particolare, quando il composto è soggetto ad uno sforzo (in figura denominato F) i legami più deboli si rompono e provocano indebolimento degli altri.
Legami forti e legami deboli sul composto di coordinazione. Quando si applica una forza vi è la rottura di alcuni legami.
Una rappresentazione alternativa dei legami nel composto di coordinazione.
Tale composto di coordinazione è stato integrato in una catena lineare di polidimetilsilossano (PDMS), producendo legami intra-catena e inter-catena. Ciò vuol dire che si è creato un network tridimensionale di catene polimeriche, in cui il composto di coordinazione fa da “ponte”.
Quando si applica una forza alla catena polimerica, i legami più deboli (del composto di coordinazione) si rompono e la catena si “allunga”, quando lo sforzo cessa, i legami si riformano ed il polimero torna come prima. In pratica, l’addizione di questo composto di coordinazione ad una catena polimerica permette di ottenere proprietà elastiche.
Meccanismo di stretching-release. Come si vede dall’immagine, quando il composto di coordinazione è “completo”, permette il “folding” della macromolecola. Quando non lo è, permette lo stiramento.
Il polimero Fe-Hpdca-PDMS può essere allungato (senza romperlo) fino a 45 volte la sua lunghezza originale. Sottoposto a piccole deformazioni, poi, riesce a tornare subito allo stato iniziale.
Un polimero che si auto-ripara
Auto-riparazione del polimero.
Non solo questo polimero ha ottime proprietà meccaniche ed elastiche, possiede anche capacità di self-healing, cioè auto-riparazione. Successivamente ad un taglio, il polimero riesce a ricomporsi in circa 48h, come osservabile dalla figura, e riesce anche a mantenere le sue proprietà meccaniche.
La riparazione può avvenire anche tra pezzi integri di polimero, sebbene con efficienza minore. In pratica, prendendo due pezzi non tagliati di polimero è possibile unirli – a temperatura ambiente. Inoltre il ciclo di stretching, rottura e riparazione può essere ripetuto numerose volte.
Questa proprietà che a primo impatto può sembrare miracolosa, ha in realtà due importanti spiegazioni: la prima è che vi sono molti legami di coordinazione dinamici, cioè come già detto capaci di rompersi e riformarsi continuamente, e la seconda è la bassa temperatura di transizione vetrosa.
La temperatura di transizione vetrosa del polimero, infatti, è di circa -90°C. Ciò dona mobilità elevata alle catene polimeriche, il che le rende adatte ad auto-ripararsi anche a basse temperature.
Il polimero, inoltre, resiste con successo all’applicazione di stimoli elettrici, grazie ad i quali si deforma ma senza rompersi, ed anche in queste condizioni mantiene la capacità di auto-riparazione.
In sintesi, questo nuovo polimero, formato da catene di polidimetilsilossano ed un composto di coordinazione a base di ferro, possiede ottime capacità meccaniche, elastiche e di auto-riparazione ed è un ottimo candidato per applicazioni speciali, ad esempio come muscolo artificiale.
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