Polymervetenskap har möjliggjort gummidäck, Teflon och Kevlar, vattenflaskor av plast, nylonjackor bland många andra vanliga funktioner i det dagliga livet. Elastiska polymerer, känd som elastomerer, kan sträckas och släppas upprepade gånger och används i applikationer som handskar och hjärtklaffar, där de behöver hålla länge utan att rivas. Men en gåta har länge stött polymerforskare:Elastiska polymerer kan vara styva, eller så kan de vara tuffa, men de kan inte vara båda.

Denna konflikt mellan styvhet och seghet är en utmaning för forskare som utvecklar polymerer som kan användas i applikationer inklusive vävnadsregenerering, biolim, bioprinting, bärbar elektronik, och mjuka robotar.

I en tidning som publicerades idag i Vetenskap , forskare från Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) har löst den långvariga konflikten och utvecklat en elastomer som är både styv och seg.

"Förutom att utveckla polymerer för nya applikationer, forskare står inför en akut utmaning:plastföroreningar, " sa Zhigang Suo, Allen E. och Marilyn M. Puckett professor i mekanik och material, studiens seniorförfattare. "Utvecklingen av biologiskt nedbrytbara polymerer har återigen fört oss tillbaka till grundläggande frågor - varför är vissa polymerer tuffa, men andra sköra? Hur får vi polymerer att motstå rivning under upprepad sträckning?"

Polymerkedjor tillverkas genom att binda samman monomerbyggstenar. För att göra ett material elastiskt, polymerkedjorna är tvärbundna med kovalenta bindningar. Ju fler tvärbindningar, ju kortare polymerkedjor och desto styvare material.

"När dina polymerkedjor blir kortare, energin du kan lagra i materialet blir mindre och materialet blir skört, sa Junsoo Kim, en doktorand vid SEAS och medförfattare till uppsatsen. "Om du bara har några få tvärlänkar, kedjorna är längre, och materialet är tufft men det är för squishy för att vara användbart."

Att utveckla en polymer som är både styv och seg, forskarna tittade på fysiska, snarare än kemiska bindningar för att länka polymerkedjorna. Dessa fysiska band, kallade förvecklingar, har varit kända inom området nästan lika länge som polymervetenskap har funnits, men de har ansetts bara påverka styvheten, inte seghet.

Men SEAS forskarteam fann att med tillräckligt många förvecklingar, en polymer kan bli seg utan att kompromissa med styvheten. För att skapa mycket intrasslade polymerer, forskarna använde en koncentrerad monomerprekursorlösning med 10 gånger mindre vatten än andra polymerrecept.

"Genom att tränga ihop alla monomerer i denna lösning med mindre vatten och sedan polymerisera den, vi tvingade dem att bli intrasslade, som trassliga trådar av garn, " sa Guogao Zhang, en postdoktor vid SEAS och medförfattare till uppsatsen. "Precis som med stickade tyger, polymererna bibehåller sin förbindelse med varandra genom att vara fysiskt sammanflätade."

Med hundratals av dessa förvecklingar, bara en handfull kemiska tvärbindningar krävs för att hålla polymeren stabil.

"Som elastomerer, dessa polymerer har hög seghet, styrka, och utmattningsmotstånd, sa Meixuanzi Shi, gästforskare vid SEAS och medförfattare till uppsatsen. "När polymererna är nedsänkta i vatten för att bli hydrogeler, de har låg friktion, och hög slitstyrka."

Det höga utmattningsmotståndet och höga slitstyrkan ökar hållbarheten och livslängden för polymererna.

"Vår forskning visar att genom att använda intrasslingar snarare än tvärbindningar, vi skulle kunna minska förbrukningen av vissa plaster genom att öka hållbarheten hos materialen, " sa Zhang.

"Vi hoppas att denna nya förståelse av polymerstruktur kommer att utöka möjligheter för applikationer och bana väg för mer hållbara, långvariga polymermaterial med dessa exceptionella mekaniska egenskaper, sa Kim.