Cercetătorii de la Universitatea Northwestern au dezvoltat recent un material revoluționar inspirat din cămășile cu zale medievale care combină flexibilitatea și rezistența extremă datorită unei noi descoperiri chimice. Acest material, conceput dintr-o structură polimerică unică, are 100.000 de miliarde de legături mecanice pe centimetru pătrat, stabilind un record de densitate în domeniul materialelor sintetice. Această descoperire deschide calea pentru progrese semnificative într-o varietate de sectoare, de la protecția balistică până la ingineria aerospațială.
În domeniul materialelor, până acum a fost foarte dificil să se creeze legături mecanice puternice. Spre deosebire de legăturile chimice, care se formează prin schimburi sau interacțiuni între atomi, legăturile mecanice se bazează pe încurcarea fizică a moleculelor ca legături dintr-un lanț. Pentru a aborda această provocare, cercetătorii de la Northwestern au folosit monomeri în formă de X ca elemente de bază ale materialului lor. Acești monomeri constând din patru grupe aromatice extinse au fost aranjați în straturi într-o structură cristalină. Prin introducerea unui compus chimic numit dialchildiclorosilan, capetele monomerilor au fost legate între ele pentru a forma o rețea ultra-puternică în care moleculele se potrivesc împreună ca niște zale. Această configurație unică permite materialului să distribuie forțele aplicate în mai multe puncte, făcându-l practic rezistent la rupere. „Dacă încerci să o rupi, trebuie să rupi legăturile în mii de locuri diferite, ceea ce îi conferă o putere excepțională”, spune profesorul William Dichtel, care a condus cercetarea, publicată în revista Science.
Proprietățile acestui material îl plasează în fruntea inovațiilor în chimia materialelor. În teste, cercetătorii au încorporat o cantitate mică (2,5%) din acest polimer într-un compozit existent numit Ultem, cunoscut pentru robustețea sa împotriva impactului, substanțelor chimice și temperaturilor extreme. Rezultatul: o creștere cu 45% a modulului de elasticitate, o măsură cheie a rezistenței materialului. Această îmbunătățire deschide calea către diverse aplicații, în special în proiectarea vestelor antiglonț mai ușoare și mai eficiente. De acest material ar putea beneficia și textilele balistice, oferind protecție sporită fără a compromite manevrabilitatea. Alte sectoare, cum ar fi industria aerospațială și auto, ar putea exploata proprietățile sale pentru a dezvolta componente care sunt atât ușoare, cât și puternice. Unul dintre principalele avantaje ale acestui polimer este capacitatea sa de a fi produs în cantități semnificative. Spre deosebire de alte materiale inovatoare, adesea limitate la laboratoare, acest material poate fi fabricat pe scară largă. Cercetătorii au reușit deja să producă un kilogram și cred că producția industrială este posibilă.
Această descoperire continuă o lungă tradiție de cercetare a conexiunilor mecanice la Universitatea Northwestern. Cercetătorii și-au dedicat studiul lui Sir Fraser Stoddart, un chimist renumit și câștigător al Premiului Nobel în 2016 pentru munca sa asupra structurilor moleculare imbricate. „Fraser a dezvoltat metode ingenioase pentru a modela aceste structuri, dar aplicarea lor la polimeri mari a rămas limitată”, spune Dichtel. „Cu abordarea noastră, am depășit aceste limitări exploatând avantajele unei structuri cristaline pentru a stabiliza legăturile mecanice.” Această cercetare, rezultatul unei colaborări între chimiști și experți în materiale, evidențiază importanța interdisciplinarității în depășirea limitelor tehnologiilor actuale. Oamenii de știință speră să exploreze în continuare proprietățile unice ale acestui material revoluționar.
Cu performanța sa impresionantă și capacitatea de a fi produs în cantități mari, acest polimer ar putea transforma multe industrii. Vestele antiglonț și alte materiale textile balistice nu numai că ar deveni mai ușoare, ci și mai durabile. În sectorul aerospațial, acest material ar putea reduce greutatea componentelor fără a le sacrifica rezistența, contribuind la vehicule mai eficiente și mai eficiente din punct de vedere energetic. Cercetătorii cred că acesta este doar începutul posibilelor aplicații. Pe măsură ce studiile progresează, mai utilizări noi ar putea apărea în domenii, de la medicină la electronică. „Avem încă multe de descoperit despre acest material”, conchide Dichtel. „Proprietățile sale excepționale ar putea revoluționa modul în care proiectăm și folosim materiale de înaltă performanță.”