Naturalny kauczuk towarzyszy ludziom od tysięcy lat – początkowo używany przez cywilizacje Mezoameryki, dziś stanowi podstawę takich produktów jak rękawice medyczne, opony, taśmy przenośnikowe czy obuwie. Jednak pomimo szerokiego zastosowania i modyfikacji przemysłowych, jego podstawowa wada pozostała niezmieniona: podatność na pękanie, zwłaszcza przy wielokrotnym użytkowaniu i cyklicznym naprężeniu.
Czytaj też: Z powietrza do kubka. Nowy materiał może uratować życie w czasie katastrof
Zespół naukowców pod kierownictwem prof. Zhiganga Suo z Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) postanowił rozwiązać ten problem od podstaw. Ich celem było zwiększenie odporności kauczuku na rozwój mikropęknięć bez utraty elastyczności – jednej z najważniejszych cech gumy. Szczegóły opisano w czasopiśmie Nature Sustainability.
Ta guma nie pęka – niesamowity materiał przyszłości
Dotychczasowa metoda przetwarzania kauczuku – intensywna wulkanizacja – polegała na tworzeniu krótkich, silnie usieciowanych łańcuchów polimerowych. Gwarantowało to trwałość, ale ograniczało zdolność materiału do pochłaniania naprężeń mechanicznych w sposób rozproszony.
Czytaj też: Drewno przyszłości mocniejsze niż stal. Ten materiał może zrewolucjonizować budownictwo
Nowe podejście, nazwane przez badaczy “tanglemer”, idzie w przeciwnym kierunku. Wykorzystuje łagodniejszy proces przetwarzania lateksu, który pozwala zachować długie, nieskracane łańcuchy polimerowe. Zamiast sztywnej, usieciowanej struktury otrzymujemy materiał, który przypomina miseczkę spaghetti – splątane włókna zamiast chemicznych mostków. Gdy pojawia się pęknięcie, naprężenia są rozprowadzane wzdłuż tych długich nici, co pozwala gumie krystalizować się i skuteczniej opierać destrukcji.
Jak wyjaśnia dr Guodong Nian, pierwszy autor badania i były badacz SEAS:
Udało nam się zwiększyć odporność na powolny rozwój pęknięć czterokrotnie i ogólną wytrzymałość dziesięciokrotnie – a wszystko to bez pogorszenia właściwości elastycznych materiału. To ogromne zaskoczenie, bo początkowo liczyliśmy na dwukrotną poprawę.
Choć nowy materiał pokazuje imponujące właściwości mechaniczne, jego wdrożenie na dużą skalę nie będzie natychmiastowe. Produkcja tanglemera wymaga intensywnego odparowywania wody, co ogranicza jego przydatność w przypadku dużych i masywnych produktów, takich jak opony samochodowe.
Jednakże cienkowarstwowe wyroby – takie jak rękawice chirurgiczne, prezerwatywy, cienkie membrany czy elastyczne komponenty dla elektroniki – mogą już wkrótce zyskać zupełnie nowy standard trwałości. Naukowcy wskazują również na potencjalne zastosowanie materiału w elastycznych układach elektronicznych oraz w robotyce miękkiej – dziedzinach, gdzie odporność na cykliczne zginanie i pękanie jest kluczowa.
Jedną z najistotniejszych zalet nowego materiału jest jego wpływ na trwałość produktów. Wydłużenie żywotności gumowych komponentów oznacza mniejsze zużycie surowców i mniej odpadów, co wpisuje się w cele zrównoważonego rozwoju.