Sådan programmeres materialer

Ali Gooneie simulerer på sin computer det, der holder verden sammen lige ved dens kerne:atomer, molekyler, molekylære kæder og bundter - derefter klumper og fibre, som stammer fra disse. Med sine beregninger, Empa-forskeren kan også forklare egenskaber, vi kan mærke med fingerspidserne:glatte og ru overflader, fleksible og stive materialer, varmeledende stoffer og isolatorer.

Mange af disse egenskaber har deres oprindelse dybt inde i materialerne. metal eller træ, plastik eller keramik, sten eller gel - alle disse er blevet undersøgt mange gange før. Imidlertid, hvad med kompositmaterialer? Hvordan opstår sådanne materialers egenskaber, og hvordan kan de ændres på en ønsket måde? En kedelig forsøg-og-fejl-tilgang i laboratoriet er ikke længere tilstrækkelig i dagens hurtige forskningsmiljø. I dag, du har brug for computerstøttede forudsigelser for hurtigt at kunne beslutte, hvilken eksperimentel vej du skal tage.

Gooneie er en af ​​mange computersimuleringseksperter, der arbejder i forskellige forskningslaboratorier hos Empa. Han studerede polymerteknologi på Amirkabir University of Technology i Teheran og tog sin doktorgrad ved University of Leoben i Østrig. "Selvom jeg efter min ingeniøruddannelse fordybede mig stadigt dybere i fysikformlernes verden, Jeg har aldrig mistet kontakten til den virkelige verden, " siger han. "For mig, simuleringer er ikke et mål i sig selv. Jeg bruger dem til at forklare de effekter, vi observerer i materialer."

Hvordan føles et hår? Og frem for alt, hvorfor?

For at forstå, hvad Gooneie præcist beregner, det er værd at overveje et biologisk polymer kompositfibermateriale, vi alle kender meget godt:hår. Nyvasket, det føles blødt og fleksibelt. Når det er tørt, det krakelerer som elektricitet; og når det er vådt, det knirker som gummi. Vi kan skære den, Træk det ud, synge det, tillad det, blege den og føntørre den. Men hvor kommer alle disse egenskaber fra?

Hår består af individuelle aminosyrer, som kombineres til dannelse af langkædede proteiner kendt som keratiner. Disse lange keratinmolekyler binder sig til at danne tråde og fiberbundter. Et kompleks lavet af cellemembraner cementerer disse fiberbundter sammen. Disse fiberbundter er omsluttet af flere lag døde hornskæl, der ligger forskudt oven på hinanden som skæl af en fyrrekogle. Derfor, hårets egenskaber ville være uforklarlige, hvis kun de grundlæggende kemiske byggesten – aminosyrerne – blev overvejet. Det er afgørende at forstå den overordnede struktur.

Så lad os, i vores sind, zoome ud af den kemiske struktur og se molekylerne kun som kugler, som er forbundet som på en perlekæde. Nu er billedet ikke længere bestemt af kemi, men ved disse perlekæders kollisioner og friktionseffekter. Eksperter bruger grove matematiske modeller til deres beregninger.

Til sidst, vi ankommer i en dimension, som vi kan se og føle:millimeterområdet, hvor hår betragtes som et homogent materiale - den fine struktur er ikke længere vigtig. Materialets makroskopiske egenskaber kan beskrives og forudsiges ved hjælp af "finite element-metoden."

Detaljeret forståelse af fibre

Indtil for få år siden, der var ingen sådan flerdimensionel tilgang i polymerkompositsektoren. Med sin forskning ved University of Leoben, Ali Gooneie havde forfinet denne tilgang, hvilket gjorde ham til en perfekt pasform til Empa. Simuleringseksperten flyttede til St. Gallen og udfører nu forskning i Empas Advance Fibers-laboratorium under Manfred Heuberger.

Et af Heubergers forskningsmål er at forfine syntetiske fibre - et økonomisk vigtigt emne:I disse dage, omkring to tredjedele af alle fibre, der bruges på verdensplan, er fremstillet syntetisk. En syntetisk fiber er betydeligt mere end en fin plastfilament. De bliver kun "fibre", hvis deres molekylære struktur bestående af små krystaller og justerede molekyler er rettet mod de ønskede egenskaber - såsom fleksibilitet eller fasthed. Kun hvis fiberstrukturen kendes fra nanometer til mikrometer skala, kan produktets egenskaber indstilles specifikt under forarbejdningen.

Ledende polymerkompositter

Gooneie har allerede overvåget flere projekter. For eksempel, det ene var rettet mod at indlejre carbon nanorør (CNT) i en polyamidmatrix. I den rigtige dosering, CNT'er kan give et syntetisk materiale elektrisk ledningsevne - hvilket gør dette materiale interessant for solcelleindustrien, for eksempel. Men hvad er den perfekte mængde nanorør, der skal blandes i? Skal rørene have samme længde, eller vil en blanding af længder give bedre resultater?

Indtil nu, det har været almindeligt for sammensatte forskere at indsnævre og løse det aktuelle problem med en række eksperimenter. Ali Gooneie, imidlertid, tackler problemet fra en teoretisk vinkel og bruger sine multidimensionelle simuleringsmetoder. Løsningen han fandt på:En blanding af CNT med forskellige længder giver elektrisk ledningsevne hurtigst. Ultimativt, det lykkedes ham at forudsige vejen, hvor nanorørene er arrangeret i polymeren - uanset hastigheden, som forarbejdningen foregår med.

Samtidig blev beregningerne udført, forskerne fik deres første eksperiment i gang:I en varm ekstruder ved 245 grader Celsius, de blandede nanorør i forskellige proportioner ind i polyamidmatrixen. Det viste sig, at en blanding på 0,15 vægtprocent gav de bedste resultater med hensyn til elektrisk ledningsevne. Hånd i hånd med laboratorieeksperimenter, anvendt matematik gav en elegant løsning på problemet.

Skånsom PET-genbrug

Simuleringsberegninger kan også opnå meget i genbrugsprojekter. Schweizerne samlede næsten 48, 000 tons PET-flasker i 2018. Herfra industri fik 35, 000 tons genanvendt PET. Det syntetiske materiale er meget eftertragtet, da det er mekanisk modstandsdygtigt, luft- og gastæt, og kan modstå høje temperaturer. Imidlertid, PET kan ikke genbruges et ubegrænset antal gange. Hvis materialet omsmeltes for ofte, kemiske reaktioner finder sted inde i materialet:Molekylerne oxiderer, tværbinder og danner klumper, og materialet bliver tyktflydende og gennemskinnelig.

Et tilsætningsstof kaldet DOPO-PEPA kunne ændre alt dette. Faktisk, materialet er et flammehæmmer udviklet af Empa-forsker Sabyasachi Gaan, også i Advance Fibers lab. Nu vil forskerne undersøge, om det også kan fungere som smøremiddel og konserveringsmiddel til PET -genbrug. Gooneie begyndte med at vurdere, om DOPO-PEPA overhovedet kan blandes i PET ved den tilsigtede temperatur. Så beregnede han, hvordan perlekæden af ​​PET-molekyler ville bevæge sig i smelten, hvordan DOPO-PEPA-molekylerne ville klemme sig imellem dem, og hvornår der ville opstå en ligevægt i blandingen.

Resultatet:En blanding af nogle få procent DOPO-PEPA er allerede tilstrækkeligt til at lade genanvendt PET flyde godt. Takket være højere matematik på Empa, genbrug vil snart forløbe meget mere problemfrit.