Peneliti UVa telah mengembangkan polimer yang menentang trade-off tradisional antara kekakuan dan kelenturan, sehingga memungkinkan penerapan baru dalam teknologi dan kedokteran.
Rancangan polimer baru yang inovatif yang dikembangkan oleh para ilmuwan di Fakultas Teknik dan Sains Terapan Universitas Virginia telah membalikkan keyakinan lama bahwa bahan polimer yang lebih kaku pasti kurang dapat diregangkan.
“Kami mengatasi tantangan mendasar yang dianggap mustahil untuk diselesaikan sejak penemuan karet vulkanisasi pada tahun 1839,” kata Liheng Cai, asisten profesor ilmu dan teknik material, serta teknik kimia.
Saat itulah Charles Goodyear secara tidak sengaja menemukan bahwa memanaskan karet alam dengan belerang menciptakan ikatan silang kimia antara molekul-molekul karet yang menyerupai untaian. Proses ikatan silang ini menciptakan jaringan polimer, mengubah karet lengket, yang meleleh dan mengalir karena panas, menjadi bahan elastis yang tahan lama.
Sejak itu, diyakini bahwa jika Anda ingin membuat bahan jaringan polimer menjadi kaku, Anda harus mengorbankan sedikit daya regangan.
Kini, tim Cai yang dipimpin oleh Ph.D. mahasiswa Baiqiang Huang, telah membantah anggapan ini dengan “jaringan polimer sikat botol yang dapat dilipat.” Karya mereka, yang didanai oleh National Science Foundation CAREER Award milik Cai, muncul di sampul majalah edisi 27 November. Kemajuan Ilmu Pengetahuan.
Sebuah “uji tarik” menunjukkan seberapa cepat jaringan polimer konvensional terlepas di bawah tekanan. Kredit: Liheng Cai, Baiqiang Huang/Softbiomatter Lab, Fakultas Teknik dan Sains Terapan Universitas Virginia
'Memisahkan' Kekakuan dan Kelenturan
“Keterbatasan ini telah menghambat pengembangan material yang harus dapat diregangkan dan kaku, sehingga memaksa para insinyur untuk memilih satu properti dan mengorbankan properti lainnya,” kata Huang, yang pertama kali menulis makalah tersebut bersama peneliti pascadoktoral Shifeng Nian dan Cai. “Bayangkan, misalnya, implan jantung yang dapat ditekuk dan dilenturkan seiring dengan detak jantung, namun tetap dapat bertahan selama bertahun-tahun.”
Polimer berikatan silang ada dimana-mana pada produk yang kita gunakan, mulai dari ban mobil hingga peralatan rumah tangga — dan semakin banyak digunakan dalam biomaterial dan perangkat perawatan kesehatan.
Beberapa aplikasi yang tim bayangkan untuk material mereka termasuk prostetik dan implan medis, perangkat elektronik yang lebih baik, dan “otot” untuk sistem robot lunak yang perlu dilenturkan, ditekuk, dan diregangkan berulang kali.
Kekakuan dan ekstensibilitas – seberapa jauh suatu bahan dapat meregang atau memuai tanpa putus – saling terkait karena keduanya berasal dari bahan penyusun yang sama: untaian polimer yang dihubungkan melalui ikatan silang. Secara tradisional, cara untuk memperkuat jaringan polimer adalah dengan menambahkan lebih banyak ikatan silang.
Hal ini membuat material menjadi kaku tetapi tidak menyelesaikan trade-off kekakuan-regangan. Jaringan polimer dengan lebih banyak ikatan silang lebih kaku, tetapi tidak mempunyai kebebasan untuk berubah bentuk, dan mudah patah bila diregangkan.
“Tim kami menyadari bahwa dengan merancang polimer sikat botol yang dapat dilipat dan dapat menyimpan panjang ekstra di dalam strukturnya, kami dapat 'memisahkan' kekakuan dan ekstensibilitas — dengan kata lain, meningkatkan kemampuan regangan tanpa mengorbankan kekakuan,” kata Cai. “Pendekatan kami berbeda karena berfokus pada desain molekuler untaian jaringan, bukan pada ikatan silang.”
Bahan polimer yang dibuat menggunakan “jaringan polimer sikat botol yang dapat dilipat” di laboratorium Cai dapat meregang hingga 40 kali lebih banyak dibandingkan bahan polimer berikatan silang konvensional. Kredit: Liheng Cai, Baiqiang Huang/Softbiomatter Lab, Fakultas Teknik dan Sains Terapan Universitas Virginia
Cara Kerja Desain Lipat
Alih-alih untaian polimer linier, struktur Cai menyerupai sikat botol – banyak rantai samping fleksibel yang memancar keluar dari tulang punggung pusat.
Yang kritis, tulang punggung bisa runtuh dan mengembang seperti akordeon yang terbentang saat diregangkan. Saat material ditarik, panjang tersembunyi di dalam polimer akan terlepas, sehingga memungkinkannya memanjang hingga 40 kali lebih banyak dari polimer standar tanpa melemah.
Sedangkan rantai samping menentukan kekakuan, artinya kekakuan dan kelenturan akhirnya dapat dikontrol secara mandiri.
Ini adalah strategi “universal” untuk jaringan polimer karena komponen yang menyusun struktur polimer sikat botol yang dapat dilipat tidak terbatas pada jenis kimia tertentu.
Misalnya, salah satu desain mereka menggunakan polimer untuk rantai sampingnya yang tetap fleksibel bahkan dalam suhu dingin. Namun, dengan menggunakan polimer sintetik yang berbeda, yang biasa digunakan dalam rekayasa biomaterial, rantai sampingnya dapat menghasilkan gel yang dapat meniru jaringan hidup.
Seperti banyak bahan baru yang dikembangkan di laboratorium Cai, polimer sikat botol yang dapat dilipat dirancang agar dapat dicetak 3D. Hal ini berlaku bahkan ketika dicampur dengan nanopartikel anorganik, yang dapat dirancang untuk menunjukkan sifat listrik, magnet, atau optik yang rumit.
Misalnya, mereka dapat menambahkan nanopartikel konduktif, seperti nanorod perak atau emas, yang sangat penting untuk perangkat elektronik yang dapat diregangkan dan dipakai.
“Komponen-komponen ini memberi kita pilihan tanpa batas untuk merancang material yang menyeimbangkan kekuatan dan kelenturan sekaligus memanfaatkan sifat nanopartikel anorganik berdasarkan kebutuhan spesifik,” kata Cai.
Referensi: “Strategi universal untuk memisahkan kekakuan dan ekstensibilitas jaringan polimer” oleh Baiqiang Huang, Shifeng Nian dan Li-Heng Cai, 27 November 2024, Kemajuan Ilmu Pengetahuan.
DOI: 10.1126/sciadv.adq3080
