Effetto delle dimensioni del vinile modificato stretto

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 5089 (2023) Citare questo articolo

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L'idrogel polimerico con l'incorporazione di materiali di dimensioni da nano a submicrometriche forma un'entusiasmante nuova generazione di idrogel compositi. La maggior parte delle applicazioni degli idrogel avvengono in ambienti acquosi in cui si gonfiano in misura molto elevata. Ciò deriva dalla bassa densità delle catene polimeriche, che le rende altamente inferiori in termini di resistenza fisica e potenziali applicazioni. Per affrontare le deboli proprietà meccaniche, sono stati preparati con successo idrogel con elevata resistenza alla trazione e tenacità rinforzando la rete di acrilammide (AAm) con particelle di silice modificata (MSiO2) di 3-metacrilossipropiltrimetossisilano (MPTS) come reticolante chimico. I reticolanti MSiO2 sono preparati da particelle di silice (SiO2) a dispersione ristretta con diametri di 100 nm, 200 nm e 300 nm per studiare l'effetto delle dimensioni dei reticolanti sulle resistenze meccaniche degli idrogel. La presenza di MSiO2 aumenta notevolmente la capacità di allungamento e la tenacità degli idrogel rispetto agli idrogel convenzionali. La resistenza alla trazione, la tenacità e il modulo di Young dell'idrogel diminuiscono rispettivamente da 30 a 11 kPa, da 409 a 231 kJ/m3 e da 0,16 a 0,11 kPa, mentre la dimensione delle particelle di SiO2 aumenta da 100 a 300 nm e la concentrazione di AAm e MSiO2 (%) sono mantenuti costanti. La resistenza alla compressione e la tenacità dell'idrogel diminuiscono rispettivamente da 34 a 18 kPa e da 6 a 4 kJ/m3, ma il modulo di Young aumenta da 0,11 a 0,19 kPa. Questo lavoro è un'eccellente prova della regolazione della resistenza meccanica dell'idrogel regolando la dimensione delle particelle dei reticolanti MSiO2.

Gli idrogel sono reti polimeriche reticolate tridimensionali contenenti acqua o fluidi biologici in grandi quantità nella loro rete, diventando così rigonfie1,2,3,4,5,6. Generalmente, tali strutture polimeriche estremamente idratate mostrano un comportamento sia elastico che viscoso quando deformate e assomigliano alla struttura del tessuto biologico. Hanno attirato una notevole attenzione da parte di scienziati e tecnologi grazie alle loro proprietà versatili e uniche per molteplici applicazioni. Per applicazioni pragmatiche, sono richieste adeguate resistenze meccaniche per gli idrogel. Sfortunatamente, nella maggior parte dei casi, gli idrogel convenzionali possiedono una resistenza meccanica inferiore e scarsa a causa di diversi motivi, come la dimensione delle maglie e la distribuzione disomogenea della reticolazione in tutta la rete del gel7,8,9. Per questo motivo, gli scienziati ampliano costantemente le proprie competenze, investono più tempo e sviluppano nuove tecniche per creare idrogel che siano sia estensibili che meccanicamente robusti per l’uso in una varietà di applicazioni multidimensionali.

La reticolazione chimica, adottata per fabbricare idrogel convenzionali di prima generazione, era eccessivamente debole e fragile. Il principio di progettazione più efficace si basava sulla costruzione di un modello di dissipazione dell'energia potenziale nella matrice di gel manovrando legami sacrificali o reversibili che evitassero l'estensione della fessura e il danno sotto sforzo. Idrogel di seconda generazione con elevato modulo di Young e resistenza alla trazione sono stati sviluppati modificando la struttura della rete del gel per indurre meccanismi di dissipazione dell'energia a livello molecolare10. Sono già state impiegate diverse tecniche intelligenti ed efficaci per aumentare la resistenza meccanica degli idrogel mantenendo invariate tutte le altre proprietà desiderabili. Vale la pena ricordare che gli idrogel topologici11, gli idrogel ad anello scorrevole12, gli idrogel nanocompositi (NC)13, gli idrogel a doppia rete14 e gli idrogel a microsfere macromolecolari15 sono gli esempi più appropriati di tali idrogel meccanicamente resistenti. Tra questi, la fabbricazione di idrogel NC ha affascinato molteplici interessi di ricerca, prestando particolare attenzione al miglioramento delle proprietà meccaniche degli idrogel e all'ampliamento della portata delle loro applicazioni.