Un innovativo materiale interbloccato meccanicamente bidimensionale, caratterizzato da elevata flessibilità e resistenza, è stato sviluppato da un team di ricerca guidato da scienziati dell’Università Northwestern. Secondo quanto riportato in un comunicato stampa, questo materiale potrebbe aprire la strada allo sviluppo di armature leggere ad alte prestazioni e di altri materiali robusti simili.
Il concetto di legami meccanici
Il concetto di legami meccanici è stato introdotto negli anni ’80 da Fraser Stoddart, all’epoca chimico presso l’Università Northwestern. Stoddart ha ampliato il ruolo di questi legami nelle macchine molecolari, consentendo funzioni come commutazione, rotazione, contrazione ed espansione in modi multipli. Tale innovazione gli è valsa il Premio Nobel nel 2016.
Decenni di ricerca
I ricercatori hanno dedicato decenni allo sviluppo di molecole interbloccate meccanicamente con polimeri, ma senza successo. William Dichtel, professore di chimica all’Università Northwestern, ha spiegato che, in chimica organica, è relativamente semplice formare anelli di dimensioni medie, composti da 5-8 atomi, ma tali anelli sono troppo piccoli per consentire il passaggio di altre molecole attraverso di essi.
Un approccio innovativo
In un approccio innovativo, i ricercatori hanno creato nuovi anelli formati ad ogni unità ripetuta della struttura 2D, composti da 40 atomi. Questo risultato è stato ottenuto grazie al lavoro di Madison Bardot, dottoranda nel laboratorio di Dichtel, che ha sviluppato un processo innovativo utilizzando monomeri a forma di X come mattoncini e disponendoli in strutture cristalline altamente ordinate. Successivamente, è stata impiegata un’altra molecola per creare legami tra le molecole del cristallo.
Il materiale risultante
Il materiale risultante è costituito da strati di fogli polimerici bidimensionali, in cui le estremità dei monomeri a forma di X sono interbloccate con le estremità di altri monomeri a forma di X, mentre altri monomeri sono inseriti nei vuoti tra di essi. Questo materiale presenta la densità più alta mai raggiunta, con 100 trilioni di legami meccanici per centimetro quadrato.
Proprietà meccaniche e applicazioni
Una delle scoperte interessanti del team è stata la possibilità di sciogliere il polimero nella soluzione, consentendo ai monomeri interbloccati di separarsi e permettendo la manipolazione dei singoli fogli. Questo polimero, nonostante la sua struttura regolare e ordinata, è altamente flessibile grazie allo spazio che ogni legame meccanico ha per muoversi.
Quando viene applicata una leggera forza al polimero, questo risulta estremamente flessibile; tuttavia, aumentando la forza, il materiale diventa più rigido poiché i legami meccanici vengono tesi localmente ai loro limiti. Questa proprietà, chiamata indurimento per deformazione, è di grande interesse per materiali duttili e meccanicamente resistenti.
Oltre alle proprietà meccaniche, l’architettura del polimero offre interessanti possibilità per nuove applicazioni. Ad esempio, i collaboratori di Dichtel all’Università di Duke hanno aggiunto questo polimero a Ultem, una fibra simile al Kevlar ma in grado di resistere a temperature estreme e all’esposizione chimica. L’aggiunta del nuovo polimero ha notevolmente aumentato la resistenza e la robustezza del materiale, aprendo la strada alla produzione di armature e protezioni balistiche.
Scalabilità e collaborazione
Nonostante polimeri contenenti legami meccanici fossero stati precedentemente sintetizzati su piccola scala, l’approccio innovativo del team ha permesso di produrre quasi mezzo chilo del materiale in modo efficiente, dimostrando la sua altissima scalabilità. Dichtel ha sottolineato che il successo della ricerca è stato reso possibile grazie alla collaborazione di diverse competenze, tra cui chimici sintetici, microscopisti e ingegneri dei polimeri, che hanno lavorato insieme per produrre e studiare i materiali.
I risultati di questa ricerca sono stati pubblicati sulla prestigiosa rivista Science, confermando l’importanza e l’innovazione di questo nuovo materiale interbloccato meccanicamente bidimensionale.
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