Přírodní kaučuk nás provází už tisíce let: od dob, kdy jej využívaly staré civilizace, až po lékařské rukavice, pneumatiky či dopravníkové pásy. Základem kaučuku (a dalších polymerů) jsou rozsáhlé molekuly – tzv. polymerové řetězce.
Jejich délka a struktura výrazně ovlivňují fyzikální vlastnosti materiálu. Dlouhé a neuspořádané řetězce mohou být pružné a elastické, zatímco ty krátké a uspořádané jsou tvrdé a křehké. Tato variabilita umožňuje vytvářet širokou škálu látek pro různé typy použití.
Namísto vulkanizace tanglemer
Při tradiční úpravě kaučuku – vulkanizaci – polymerní řetězce chemicky propojujeme (a zkracujeme), čímž vzniká sice pevná, ale méně pružná síť, která může praskat. Vědci z Harvardovy univerzity nyní vyvinuli odlišný způsob úpravy, kterému říkají tanglemer.
Rozdíl mezi přírodním a tanglemerovým kaučukem
Oproti vulkanizaci zachovává dlouhé polymerní řetězce, které drží pospolu vzájemným fyzikálním propletením namísto původních chemických vazeb, kterých může být mnohem méně. Při napnutí materiálu se tyto dlouhé řetězce mohou vůči sobě posouvat, což umožňuje rovnoměrnější rozložení napětí a zabraňuje šíření trhlin.
Funguje to jako špagety v míse
Místo aby se řetězce lámaly, zůstávají dlouhé a volně se proplétají podobně jako špagety v míse. Síť je pouze řídce propojována chemickými vazbami, což zajišťuje její soudržnost, aniž by se omezila pohyblivost polymerních vláken.
Řídké síťování je nutné pro zachování elastických vlastností a rozměrové stability – bez něj by materiál tekl jako kapalina. Tento způsob zasíťování také může ve srovnání s tradičně vulkanizovaným kaučukem zlepšit biologickou rozložitelnost a recyklovatelnost.
Klíčovou inovací je minimální množství chemických vazeb, které drží síť pohromadě, ale nebrání pohybu dlouhých řetězců. Tím se dosahuje unikátní kombinace vlastností: kaučuk je při opakovaném namáhání až desetkrát houževnatější (z ~10⁴ J/m² na >10⁵ J/m²) a čtyřikrát odolnější proti vzniku únavových trhlin (nárůst prahu únavy z ~50 J/m² na ~200 J/m²) než běžný přírodní kaučuk.
Trhlina není problém
Materiál si zároveň zachovává pružnost, která je pro elastomery zásadní. Na tomto místě je vhodné dodat, že houževnatost zde primárně znamená schopnost materiálu pohlcovat energii bez lomu, nikoli jeho tvrdost ve smyslu odporu proti poškrábání.
Zdroj videa: Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences
Při namáhání se dlouhé „špagetové“ řetězce posouvají vůči sobě, čímž rozptylují napětí a umožňují větší krystalizaci materiálu, tedy jev známý jako deformací indukovaná krystalizace (strain-induced crystallization; SIC), kdy se řetězce uspořádají do pevných oblastí, což materiál lokálně zpevní.
Když v tanglemeru vznikne trhlina, dlouhé řetězce rozloží napětí na větší plochu. To vede k lokálnímu zpevnění a výraznému zpomalení růstu trhliny. V praxi to znamená, že například rukavice nebo kondom z tohoto kaučuku vydrží mnohem déle i při opakovaném natahování. Vědci byli překvapeni: čekali dvojnásobné zlepšení, ale dostali desetinásobné.
Jsou tu ale určitá „ale“
Běžně platí, že čím je materiál odolnější proti únavě, tím je tvrdší, ovšem tato architektura umožňuje zvýšit houževnatost bez obvyklého nárůstu tuhosti. Tanglemer zůstává měkký a pružný, což je ideální pro aplikace, kde je třeba kombinovat poddajnost a odolnost – například ve flexibilní elektronice, biomedicíně nebo měkké robotice.
Současná výroba tanglemeru má však celou řadu úskalí. Vyrábí se z latexu, který musí ztratit hodně vody, což je energeticky náročné. To omezuje objem produkovaného materiálu, takže technologie je zatím nevhodná pro masivní aplikace typu pneumatik. Největší potenciál má zatím v tenkých výrobcích, kde vynikne jeho odolnost a pružnost. Problematické je také použití toluenu coby rozpouštědla.
Harvardský objev ukazuje, že cesta k odolnějším materiálům nemusí vést přes další příměsi a chemii, ale skrze chytré zachování a využití toho, co už materiál přirozeně nabízí. Tanglemerový přístup může inspirovat nové směry nejen v kaučuku, ale i v celé polymerní vědě.
Tanglemerový kaučuk slibuje přínos také z hlediska udržitelnosti: delší životnost výrobků znamená méně odpadu a nižší spotřebu surovin. Skutečný ekologický přínos však ukáže až důkladné posouzení celého životního cyklu, včetně energeticky náročného sušení a použití rozpouštědel.