Uma equipe de químicos do MIT e da Duke University descobriu uma maneira contra-intuitiva de tornar os polímeros mais fortes: introduzir algumas ligações mais fracas no material.

Trabalhando com um tipo de polímero conhecido como elastômero de poliacrilato, os pesquisadores descobriram que poderiam aumentar em até dez vezes a resistência do material ao rasgo, simplesmente usando um tipo mais fraco de reticulador para unir alguns dos blocos de construção do polímero.

Esses polímeros semelhantes à borracha são comumente usados ??em peças de carros e também são frequentemente usados ??como "tinta" para objetos impressos em 3D. Os pesquisadores agora exploram a possível expansão dessa abordagem para outros tipos de materiais, como pneus de borracha.

“Se você pudesse fazer um pneu de borracha 10 vezes mais resistente ao rasgo, isso poderia ter um impacto dramático na vida útil do pneu e na quantidade de resíduos microplásticos que se quebram”, diz Jeremiah Johnson, professor de química do MIT e um dos autores seniores do estudo, publicado na Science .

Uma vantagem significativa dessa abordagem é que ela não parece alterar nenhuma das outras propriedades físicas dos polímeros.

"Os engenheiros de polímeros sabem como tornar os materiais mais resistentes, mas isso invariavelmente envolve a alteração de alguma outra propriedade do material que você não deseja alterar. Aqui, o aumento da resistência ocorre sem qualquer outra alteração significativa nas propriedades físicas - pelo menos isso podemos medida - e é provocada pela substituição de apenas uma pequena fração do material geral", diz Stephen Craig, professor de química da Duke University, que também é autor sênior do artigo.

Este projeto surgiu de uma colaboração de longa data entre Johnson, Craig e o professor da Duke University, Michael Rubinstein, que também é autor sênior do artigo. O principal autor do artigo é Shu Wang, um pós-doutorando do MIT que obteve seu Ph.D. no duque.

Elastômeros de poliacrilato são redes de polímeros feitas de fios de acrilato mantidos juntos por moléculas de ligação. Esses blocos de construção podem ser unidos de diferentes maneiras para criar materiais com propriedades diferentes.

Uma arquitetura frequentemente usada para esses polímeros é uma rede de polímeros em estrela. Esses polímeros são feitos de dois tipos de blocos de construção: um, uma estrela com quatro braços idênticos, e o outro uma cadeia que atua como um linker. Esses ligadores se ligam ao final de cada braço das estrelas, criando uma rede que lembra uma rede de vôlei.

Em um estudo de 2021, Craig, Rubinstein e o professor do MIT Bradley Olsen se uniram para medir a resistência desses polímeros. Como eles esperavam, eles descobriram que quando os ligadores de extremidade mais fracos eram usados ??para manter os fios de polímero juntos, o material ficava mais fraco. Esses ligantes mais fracos, que contêm moléculas cíclicas conhecidas como ciclobutano, podem ser quebrados com muito menos força do que os ligantes que geralmente são usados ??para unir esses blocos de construção.

Como acompanhamento desse estudo, os pesquisadores decidiram investigar um tipo diferente de rede polimérica na qual os filamentos de polímero são reticulados a outros filamentos em locais aleatórios, em vez de serem unidos nas extremidades.

Desta vez, quando os pesquisadores usaram ligantes mais fracos para unir os blocos de construção de acrilato, eles descobriram que o material se tornou muito mais resistente ao rasgo.

Isso ocorre, acreditam os pesquisadores, porque as ligações mais fracas são distribuídas aleatoriamente como junções entre fios fortes em todo o material, em vez de fazerem parte dos próprios fios finais. Quando este material é esticado até o ponto de ruptura, quaisquer rachaduras que se propagam através do material tentam evitar as ligações mais fortes e passam pelas ligações mais fracas. Isso significa que a rachadura tem que quebrar mais ligações do que faria se todas as ligações tivessem a mesma força.

“Mesmo que esses laços sejam mais fracos, mais deles acabam precisando ser quebrados, porque a rachadura faz um caminho pelos laços mais fracos, que acaba sendo um caminho mais longo”, diz Johnson.

Usando essa abordagem, os pesquisadores mostraram que os poliacrilatos que incorporavam alguns ligantes mais fracos eram nove a 10 vezes mais difíceis de rasgar do que os poliacrilatos feitos com moléculas de reticulação mais fortes. Este efeito foi alcançado mesmo quando os reticulantes fracos representavam apenas cerca de 2% da composição total do material.

Os pesquisadores também mostraram que essa composição alterada não alterou nenhuma das outras propriedades do material, como a resistência à quebra quando aquecida.

"É muito raro dois materiais terem a mesma estrutura e as mesmas propriedades no nível da rede, mas com uma diferença de quase ordem de magnitude no rasgo", diz Johnson.

Os pesquisadores agora estão investigando se essa abordagem poderia ser usada para melhorar a resistência de outros materiais, incluindo a borracha.