Giải quyết thách thức 200 năm về polymer để kiểm soát độc lập độ cứng và độ dãn
Các nhà nghiên cứu trường Kỹ thuật và khoa học ứng dụng Virginia đã thách thức các quy tắc khoa học vật liệu với các phân tử giải phóng độ dài để tách bạch độ cứng và độ co dãn của polymer.
Các nhà nghiên cứu đã phát triển một thiết kế polymer mới có thể viết lại sách giáo khoa về kỹ thuật polymer. “Chúng tôi đã giải quyết một thách thức cơ bản đã được cho là không thể để giải quyết kể từ khi sáng chế ra cao su được xử lý lưu hóa vào năm 1839”, Liheng Cai, trợ lý giáo sư khoa học – kỹ thuật vật liệu và kỹ thuật hóa học, nói.
Điều đó xảy ra khi Charles Goodyear phát hiện một cách tình cờ là việc gia nhiệt cho cao su tự nhiên với sulfur tạo ra những liên kết chéo hóa học giữa các phân tử cao su dạng chuỗi. Quá trình liên kết chéo này tạo ra một mạng lưới polymer, chuyển đổi cao su dính thành dòng chảy trong nhiệt thành thứ vật liệu có khả năng co dãn, bền bỉ.
Kể từ đó, nó được tin là nếu như muốn tạo ra một vật liệu dạng mạng lưới polymer có độ cứng thì phải hi vọng độ co dãn.
Cho đến khi nhóm nghiên cứu của Cai, trong đó có nghiên cứu sinh Baiqiang Huang, chứng tỏ có một cách khác với “các mạng lưới polymer dạng chổi có thể gập” mới. Công trình của họ “A universal strategy for decoupling stiffness and extensibility of polymer networks” (Một chiến lược phổ quát để tách độ cứng và độ kéo dãn của các mạng lưới polymer) được lên trang bìa của tạp chí Science Advances, xuất bản ngày 27/11/2024.
“Tách” độ cứng và độ dãn
“Giới hạn này đã kìm hãm sự phát triển của các vật liệu cần hội tụ đủ khả năng co dãn và độ cứng, nó buộc các kỹ sư phải lựa chọn lấy một đặc tính và phải bỏ qua đặc tính kia”, Huang nói. “Hãy tưởng tượng là một vật liệu implant cho tim có thể co dãn linh hoạt với mỗi nhịp tim nhưng vẫn bền bỉ theo năm tháng”.
Huang là tác giả đầu tiên của nghiên cứu cùng các nhà nghiên cứu hậu tiến sĩ Shifeng Nian và Cai.
Các polymer liên kết chéo có mặt ở mọi nơi trong các sản phẩm mà chúng ta sử dụng, từ lốp xe ô tô đến các đồ gia dụng- và người ta ngày càng sử dụng chúng nhiều hơn trong phát triển và chế tạo các vật liệu sinh học và thiết bị chăm sóc sức khỏe.
Một số ứng dụng mà nhóm nghiên cứu có thể mường tượng về vật liệu của họ trong tương lai là sử dụng trong thiết kế và chế tạo các sản phẩm chân tay giả và mô cấy y sinh, cải thiện các thiết bị điện tử mang theo người và “các khối cơ” cho các hệ robot mềm cần độ mềm, uốn cong và kéo giãn liên tục.
Độ cứng và độ kéo dãn – cách một vật liệu có thể kéo dãn hoặc mở rộng mà không bị phá vỡ – có liên quan với nhau bởi vì chúng xuất phát từ cùng khối cơ bản: các chuỗi polymer kết nối với nhau bằng những liên kết chéo. Về truyền thống, con đường để tăng độ cứng cho một mạng lưới polymer là tăng thêm nhiều liên kết chéo.
Độ cứng cho vật liệu này không thể giải quyết bằng sự đánh đổi độ cứng – độ giãn. Các mạng lưới polymer với nhiều liên kết chéo hơn sẽ cứng hơn nhưng chúng không thể có tự do như nhau để có thể tự biến dạng, và khi bị kéo, chúng có thể bị phá vỡ một cách dễ dàng.
“Nhóm nghiên cứu của chúng tôi nhận ra là bằng việc thiết kế các polymer dạng bàn chải gập được có thể làm tăng độ dài bên trong cấu trúc của nó, chúng tôi có thể “tách’ được độ cứng và độ giãn, nói cách khác là xây dựng được độ kéo dãn mà không phải hi sinh độ cứng”, Cai nói. “Cách tiếp cận của chúng tôi khác biệt bởi vì nó tập trung vào thiết kế phân tử của các chuỗi trong mạng lưới hơn là kiên kết chéo”.
Thiết kế gập này hoạt động như thế nào?
Thay vì các chuỗi polymer tuyến tính, cấu trúc của Cai là một tập hợp dạng chổi – nhiều chuỗi có cạnh linh hoạt tỏa ra từ một trục chính ở trung tâm.
Đáng chú ý, trục chính có thể co sụp và mở rộng như một cây đàn accordion. Khi vật liệu này được kéo đẩy, độ dài ẩn bên trong polymer được duỗi thẳng, cho phép nó kéo dài đến 40 lần so với polymer thông thường mà không bị yếu đi.
Trong khi đó, các chuỗi bên giúp tăng độ cứng, có nghĩa là cuối cùng có thể kiểm soát được một cách độc lập độ cứng và độ dãn.
Đó là một chiến lược phổ quát cho các mạng lưới polymer bởi vì các thành phần tạo nên cấu trúc polymer dạng chổi có thể gấp được không bị giới hạn cho các dạng hóa học cụ thể.
Ví dụ, một trong những thiết kế của họ sử dụng một polymer cho các chuỗi bên vẫn linh hoạt ngay cả khi ở mức nhiệt độ thấp. Tuy nhiên việc sử dụng một polymer tổng hợp lại khác biệt, loại polymer tổng hợp thường được sử dụng trong kỹ thuật vật liệu sinh học, cho các chuỗi cạnh cí thể tạo ra một loại gel có thể bắt chước mô sống.
Giống như nhiều loại vật liệu mới được phát triển trong phòng thí nghiệm của Cai, polymer dạng chổi có thể gập được thiết kế để in 3D. Có thể áp dụng cách này khi trộn với các hạt nano vô cơ, vốn dùng để thiết kế để tạo ra các đặc tính cách điện, từ hoặc quang. Ví dụ, chúng có thể đưa vào các hạt nano dẫn điện, như các thanh nano bạc hoặc vàng để tạo ra các thiết bị điện tử mang theo người, có thể kéo dãn.
“Các thành phần này đem lại cho chúng ta những khả năng vô tận cho thiết kế vật liệu có thể cân bằng sức mạnh và độ dãn trong khi vẫn có thể khai thác các đặc tính của các hạt nano vô cơ dựa trên những yêu cầu cụ thể”, Cai nói.
Thanh Hương dịch từ University of Virginia
