Vedci z Harvardovej univerzity vyvinuli nový spôsob úpravy kaučuku, ktorý využíva namiesto chemických väzieb zamotané dlhé polymérové reťazce. Výsledný materiál je štyrikrát odolnejší proti šíreniu trhlín a desaťkrát húževnatejší ako bežný kaučuk.
Ilustračný obrázok. Zdroj: iStockphotos.com. Autor: AaronAmat
Ľudia používajú prírodný kaučuk, jeden z najrozšírenejších biomateriálov na svete, už tisíce rokov. Jeho odolnosť proti rastu trhlín sa však za desaťročia výrazne nezlepšila.
Základom kaučuku (a ďalších polymérov) sú dlhé molekuly, tzv. polymérové reťazce. Ich dĺžka a usporiadanie výrazne ovplyvňujú fyzikálne vlastnosti materiálu. Dlhé neusporiadané reťazce dodávajú látke pružnosť a elasticitu, zatiaľ čo krátke pravidelne usporiadané reťazce robia materiál tvrdším a krehkejším. Vďaka tejto variabilite môžeme z polymérov vytvárať rôznorodé materiály na rôzne účely.
Pri klasickej úprave kaučuku, známej ako vulkanizácia, sa polymérové reťazce chemicky skracujú a navzájom spájajú. Výsledkom je pevná, no menej pružná sieť, ktorá je náchylná na praskanie.
Výskumníci nových materiálov z Harvardskej školy inžinierstva a aplikovaných vied Johna A. Paulsona (SEAS) teraz navrhli spôsob výroby prírodného kaučuku, ktorý si zachováva svoje kľúčové vlastnosti pružnosti a trvanlivosti a zároveň výrazne zlepšuje jeho schopnosť odolávať praskaniu, a to aj po opakovaných cykloch používania.
Štúdia je publikovaná v časopise Nature Sustainability a viedli ju Zhigang Suo, profesor mechaniky a materiálov, a Yakov Kutsovsky, rezidentný expert v Harvardskej kancelárii pre technologický rozvoj.
Odolnosť a udržateľnosť
„Zlepšenie odolnosti proti praskaniu predĺži životnosť materiálu a tým zlepší jeho udržateľnosť,“ povedal prvý autor a bývalý postdoktorandský výskumník SEAS Guodong Nian.
Prírodný kaučuk je odolný polymérny materiál, ktorý sa nachádza v mnohých produktoch, ako sú rukavice, pneumatiky, obuv, zdravotnícke pomôcky či dopravné pásy.
Výskumníci upravili tento tradičný, intenzívny proces tak, aby vyvolali jemnejšiu premenu, pri ktorej zostávajú dlhé polymérové reťazce v ich prirodzenej podobe namiesto toho, aby sa rozrezávali na kratšie úseky. Výsledný materiál, nazývaný tanglemer, pripomína zamotané špagety a získava svoju odolnosť vďaka tomu, že obsahuje viac fyzických prepletení než chemických väzieb (tzv. crosslinkov).
„Použili sme menej intenzívnu metódu spracovania, inšpirovanú technikami spracovania latexu, ktorá zachováva dlhé polymérové reťazce,“ uviedol Nian.
Na obrázku je znázornený rozdiel pevnosti a pružnosti medzi klasickou a novou formou spracovania kaučuku. Zdroj: Harvard SEAS
10-krát silnejší materiál
Keď sa v novom materiáli vytvorí prasklina, dlhé „špagetové“ reťazce rozkladajú napätie tým, že sa navzájom posúvajú. Tak umožňujú ďalšiu kryštalizáciu kaučuku počas natiahnutia, čo celkovo zvyšuje pevnosť a odolnosť materiálu proti praskaniu.
Výsledky prekonali všetky očakávania, uviedol spoluautor štúdie Zheqi Chen, bývalý postdoktorand z Harvardskej školy SEAS. Materiál sa stal štyrikrát odolnejší proti pomalému rastu trhlín pri opakovanom natiahnutí a desaťkrát húževnatejší celkovo.
„Mysleli sme si, že vlastnosti sa zlepšia možno dvojnásobne alebo trojnásobne, ale v skutočnosti sa zlepšili o celý rád,“ povedal Chen.
Výskum zdôrazňuje výhodu zachovania prirodzenej dĺžky polymérových reťazcov. Isté problémy však pretrvávajú: nová metóda spracovania si vyžaduje odparenie veľkého množstva vody, čo vedie k nižšiemu objemu výsledného materiálu, než by bolo ideálne pre produkty ako pneumatiky. Momentálne je preto vhodnejší skôr na tenké kaučukové výrobky, napríklad rukavice alebo kondómy. Technológia by však mohla nájsť uplatnenie aj v oblastiach ako flexibilná elektronika či komponenty pre mäkkú robotiku.
Video: Prírodný kaučuk, ktorý odoláva praskaniu. Zdroj: Youtube/Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences
Zdroj: Harvard SEAS, Nature Sustainability, Phys
(LDS)
