Aperfeiçoando matéria frágil: propriedades mecânicas de sólidos de partículas assemblados a partir de partículas híbridas revestidas com polímero sintetizadas por ATRP

O efeito da modificação por grafo de polímero na formação da estrutura e características mecânicas de sólidos de nanopartículas inorgânicas (sílica) é avaliado como uma função do grau de polimerização das cadeias revestidas na superfície. Observa-se uma transição de características mecânicas ‘semelhantes a esferas rígidas’ para ‘semelhantes a polímeros’ dos sólidos de partículas com o aumento do grau de polimerização das cadeias revestidas. O módulo elasticidade dos sólidos de partículas aumenta em cerca de 200% e estabiliza em pesos moleculares intermediários das cadeias revestidas na superfície, uma tendência que é racionalizada como consequência do módulo de elasticidade sendo determinado por interações de dispersão entre os grafo de polímeros. Um aumento pronunciado (de cerca de uma ordem de magnitude) da tenacidade ao fraturamento dos sólidos de partículas é observado à medida que o grau de polimerização das cadeias revestidas ultrapassa um valor limite que é semelhante tanto para os grafos de poliestireno quanto para os grafos de poli(metacrilato de metila). A resistência aumentada ao fraturamento é interpretada como consequência da existência de emaranhamentos entre as cadeias revestidas na superfície que dão origem à dissipação de energia durante a fratura através da deformação plástica microscópica e formação de fissuras. Dentro da incerteza experimental, a transição para características de deformação semelhantes a polímeros é capturada por um modelo de escala de campo médio que interpreta a estrutura da casca de polímero de partículas revestidas com polímero como sistemas efetivos de ‘duas fases’ consistindo de uma região interna esticada e uma região externa relaxada. O modelo é aplicado para prever o grau mínimo de polimerização necessário para induzir características mecânicas semelhantes a polímeros e, assim, estabelecer ‘critérios de projeto’ para a síntese de partículas modificadas por polímero que são capazes de formar estruturas sólidas de partículas mecanicamente robustas e moldáveis.