Rivoluzione nelle Corazzature: scienziati americani realizzano un polimero meccanico ad altissima resistenza

Un team di ricerca guidato da scienziati della Northwestern University ha sviluppato il primo materiale bidimensionale ad incastro meccanico ad alta flessibilità e resistenza.

In futuro, questo materiale potrebbe essere utilizzato per sviluppare armature leggere ma ad alte prestazioni e altri materiali resistenti, si legge in un comunicato stampa.

È stato negli anni ’80 che Fraser Stoddart, allora chimico della Northwestern University, ha introdotto per la prima volta il concetto di legame meccanico. Stoddart ha poi ampliato il ruolo di questi legami in macchine molecolari, consentendo funzioni come la commutazione, la rotazione, la contrazione e l’espansione in più modi e utilizzandoli per sviluppare strutture interconnesse, che gli sono valse anche il premio Nobel nel 2016. Purtroppo Stoddart è mancato il 30 dicembre 2024.

I ricercatori hanno lavorato per decenni allo sviluppo di molecole meccanicamente incastrate con i polimeri, ma non ci sono riusciti. “In chimica organica, è abbastanza semplice formare i cosiddetti “anelli di medie dimensioni” di 5-8 atomi. Ma tali anelli sono troppo piccoli per infilarci dentro un’altra molecola”, ha spiegato William Dichtel, professore di chimica alla Northwestern University, in una e-mail a Interesting Engineering.

Anello Benzenico, con
sei atomi di Carbonio

“Nel nostro lavoro, invece, si formano nuovi anelli in corrispondenza di ogni unità di ripetizione della struttura 2D, che hanno una circonferenza di 40 atomi”, ha aggiunto Dichtel. Questo risultato è stato ottenuto grazie a un approccio innovativo e inedito che ha messo in discussione le ipotesi sul modo in cui le molecole reagiscono.

Tutto questo per la capacità degli atomi di carbonio di formare una grande varietà di forme, fra cui anelli formati da molti atomi:

Un processo innovativo

Madison Bardot, dottoranda nel laboratorio di Dichtel, ha sviluppato un processo innovativo utilizzando monomeri a forma di X come blocchi di costruzione e disponendoli in strutture cristalline altamente ordinate. Hanno poi utilizzato un’altra molecola per creare legami tra le molecole del cristallo.

Il materiale risultante è costituito da strati di fogli di polimeri bidimensionali (2D) in cui le estremità dei monomeri a forma di X sono incastrate con le estremità di altri monomeri a forma di X e altri monomeri sono infilati negli spazi intermedi. Insieme, il materiale è costituito da 100.000 miliardi di legami meccanici per centimetro quadrato, la più alta densità mai raggiunta.

È interessante notare che il team ha anche scoperto che sciogliendo il polimero nella soluzione i monomeri interconnessi si staccano l’uno dall’altro, consentendo la manipolazione di singoli fogli.

“Molte sostanze altamente cristalline sono fragili, ma il nostro polimero ha una struttura regolare e ordinata, pur essendo altamente flessibile perché ogni legame meccanico ha un po’ di spazio per muoversi”, ha spiegato Dichtel nell’e-mail a IE.

Struttura chimica del Kevlar, ch presenta l’incastro a X alle estremità. Immagine: Wikimedia Commons

“Quando si applica una forza leggera al polimero, questo è estremamente flessibile, ma se si applica una forza maggiore il materiale diventa più rigido perché i legami meccanici vengono tesi localmente al limite. Questa proprietà è chiamata “indurimento da deformazione” ed è di grande interesse per i materiali duttili e meccanicamente resistenti”.

Al di là delle proprietà meccaniche, l’architettura del polimero presenta proprietà interessanti che possono essere esplorate per nuove applicazioni.

Da forza a forza

I collaboratori di Dichtel della Duke University hanno aggiunto questo polimero di nuova concezione all’Ultem, una fibra della stessa famiglia del Kevlar ma in grado di resistere a temperature estreme e all’esposizione chimica. L’utilizzo di appena il 2,5% del polimero ne ha aumentato drasticamente la forza e la tenacità. Questo potrebbe essere utilizzato per realizzare armature o protezioni balistiche.

Mentre i polimeri contenenti legami meccanici sono stati sintetizzati in precedenza su scala ridotta, questo approccio ha permesso al team di Dichtel di produrre facilmente quasi una libbra (mezzo chilogrammo) di materiale. Questo dimostra anche che l’approccio è altamente scalabile.

“Forse l’aspetto più impegnativo è stato quello di dimostrare a noi stessi che avevamo effettivamente la struttura ad incastro meccanico proposta: è stato necessario un team di competenze diverse – chimici sintetici, microscopisti elettronici, ingegneri dei polimeri – per capire come produrre i materiali e poi come studiarli effettivamente”,