Un aquamelt es un material polimérico naturalmente hidratado que es capaz de solidificarse a temperaturas ambientales a través de un aporte de tensión controlada (ya sea mecánica o química).
Son únicos en su capacidad de “bloquear” el trabajo que se les aplica a través de una alteración en el enlace de hidrógeno , lo que les permite ser procesados con aproximadamente 1000 veces menos energía que los polímeros estándar. [1] Esto se ha demostrado recientemente para un biopolímero arquetípico , la seda , [2] sin embargo, se cree que el mecanismo de solidificación es inherente a muchos otros materiales biológicos. [3] [4]
Los aquamelts se definieron como una nueva clase de material polimérico como resultado de una comparación entre la materia prima de hilado del gusano de seda chino ( Bombyx mori ) y el polietileno de alta densidad (HDPE) fundido [2] utilizando imágenes de luz polarizada inducida por cizallamiento (SIPLI). [5]
La comprensión actual de la fibrilación inducida por cizallamiento requiere que las cadenas de polímeros experimenten la siguiente serie de pasos: i) las moléculas de cadena larga se estiran, ii) y forman núcleos puntuales persistentes, que iii) se alinean bajo el flujo en filas y luego iv) crecen para crear fibrillas cristalinas. [2] Para que estas fibrillas permanezcan, la temperatura de la muestra debe reducirse por debajo del punto de fusión de los polímeros. Este proceso es análogo a la fibrilogénesis de los polímeros de seda natural en la que las proteínas se alinean (repliegan), se nuclean ( desnaturalizan ) y cristalizan (agregan). Sin embargo, en el caso de las sedas, las fibrillas persisten sin necesidad de una caída de temperatura. [6] [7]
Desde una perspectiva macromolecular, se piensa que los dos procesos son similares debido a la interacción única de una proteína nativa con su agua estrechamente unida. [3] [4] Al igual que una cadena de polímero individual en una masa fundida, una proteína nativa y sus moléculas de agua estrechamente unidas pueden considerarse no como una solución sino como una única entidad procesable, un nanocompuesto denominado "aquamelt".
Las diferencias entre un polímero típico y un aquamelt se destacan por la capacidad del aquamelt de solidificarse en respuesta al estrés a temperaturas ambientales. Esto ocurre cuando el estrés aplicado es suficiente para separar el agua estrechamente unida de la proteína, dividiendo el nanocompuesto. Esto da como resultado cambios conformacionales en la proteína y una mayor probabilidad de formar enlaces de hidrógeno entre las cadenas de proteína y la posterior solidificación. [4] Las estructuras multiescala, es decir, fibrillas o espumas , son el resultado de una combinación de campos de estrés direccional y las propiedades de autoensamblaje del aquamelt. [7] [8]
Los aquamelts ofrecen varias ventajas sobre las soluciones actuales para la producción de polímeros sintéticos . En primer lugar, son de origen natural, sin dependencia del petróleo para su producción y son reciclables y biodegradables . En segundo lugar, se pueden procesar a temperatura y presión ambiente , lo que da como resultado solo agua como subproducto del proceso de solidificación. En tercer lugar, los cálculos de trabajo realizados con materias primas de seda y polietileno de alta densidad revelaron una diferencia de diez veces en la cantidad de energía de corte necesaria para iniciar la solidificación. [9] Cuando se tiene en cuenta la temperatura de procesamiento, la diferencia en los requisitos de energía para experimentar la solidificación es mil veces menor para los aquamelts que para los polímeros sintéticos. [1]