Los científicos de la Universidad Metropolitana de Osaka han logrado avances significativos en la comprensión de la unión entre ciertos plásticos y metales, revelando las intrincadas interacciones moleculares que tienen lugar en su interfaz. Esta investigación es crucial para el desarrollo de materiales híbridos que aprovechen las fortalezas tanto del metal como del plástico, con el objetivo de mejorar la eficiencia en los sistemas de transporte.
El equipo se centró en las estructuras híbridas de polímero y metal, que están recibiendo cada vez más atención debido a sus propiedades ligeras que contribuyen a que los vehículos sean más eficientes en el consumo de combustible. Un aspecto crucial de esta tecnología es la capacidad de conectar metales directamente a plásticos, sin adhesivos, lo que depende en gran medida de la resistencia de la conexión resultante.
Takuya Kuwahara, profesor de la Escuela de Graduados en Ingeniería de la universidad y autor principal del estudio, enfatizó que los mecanismos a nivel molecular que gobiernan estos enlaces siguen siendo en gran medida difíciles de alcanzar. El equipo de investigación utilizó simulaciones de dinámica molecular de todos los átomos para investigar la adhesión de poliamidas (PA), específicamente nailon, a superficies de alúmina. Examinaron dos tipos de PA con diferentes características estructurales: PA6, conocida por su columna vertebral flexible, y PAMXD6, conocida por sus anillos aromáticos rígidos.
En sus experimentos, los investigadores evaluaron los polímeros en superficies de alúmina tanto hidroxiladas como no hidroxiladas. La distinción entre estas superficies radica en sus extremos químicos; las superficies hidroxiladas contienen grupos funcionales OH, mientras que las superficies no hidroxiladas carecen de dichos grupos.
Para analizar cómo interactúan estos materiales a nivel atómico, los científicos clasificaron los segmentos de las cadenas de polímeros en diferentes grupos: los ‘trenes’ representan los segmentos unidos a la superficie, los ‘bucles’ son segmentos no adsorbidos que existen entre los trenes y las ‘colas’ son extremos no adsorbidos que están conectados al interior del polímero.
Su investigación demostró que la interfaz «cede» cuando se somete a tensión de tracción, un proceso caracterizado por reordenamientos atómicos irreversibles que conducen a una deformación permanente. Al evaluar la respuesta mecánica de la interfaz polímero-metal antes y después de la fluencia, los investigadores pudieron dilucidar las condiciones que influyen en la resistencia y durabilidad de la unión.
Los hallazgos indicaron que la fuerza de adhesión está influenciada tanto por la química del polímero como por la terminación de la superficie. En la fase elástica antes de la fluencia, la resistencia a la tracción está determinada por el tipo de PA utilizado; Sin embargo, una vez que se produce el flujo, la naturaleza de la superficie de alúmina se convierte en un factor determinante. Por ejemplo, PAMXD6, que es más rígido, se adhirió de manera diferente según el tipo de superficie.
En superficies hidroxiladas, PAMXD6 fue más sensible al desprendimiento, mientras que PA6 demostró la capacidad de reorganizar bucles y convertirlos en colas extendidas sin desprenderse por completo. Por el contrario, ambos polímeros mantuvieron una fuerte unión en superficies no hidroxiladas debido a la estabilidad proporcionada por las cadenas y bucles.
Estos conocimientos no sólo aclaran la dinámica de unión entre el metal y el plástico, sino que también proporcionan pautas de diseño útiles para elegir tratamientos de superficie y tipos de polímeros, alejándose de los métodos de prueba y error. Kuwahara afirmó: «Al comprender cómo interactúan la estructura molecular y la química de la superficie, podemos diseñar compuestos más fuertes y livianos que ayuden a reducir el peso del vehículo y el consumo de energía». Esta investigación acerca a la industria a la realización de soluciones de transporte sostenibles y neutras en carbono.
