Forskere har fundet en ny tilgang til at reducere antallet af sløjfer (røde) i en polymer. Metoden kunne tilbyde en nem måde for producenter af industrielt anvendelige materialer som plast eller geler til at styrke deres materialer. Kredit:Massachusetts Institute of Technology
Plast, gummi, og mange andre nyttige materialer er lavet af polymerer - lange kæder arrangeret i et tværbundet netværk. På molekylært niveau, disse polymernetværk indeholder strukturelle fejl, der svækker dem.
For flere år siden, MIT-forskere var de første til at måle visse typer af disse defekter, kaldet "løkker, " som er forårsaget, når en kæde i polymernetværket binder til sig selv i stedet for en anden kæde. Nu, de samme forskere har fundet en enkel måde at reducere antallet af loops i et polymernetværk og dermed styrke materialer fremstillet af polymerer.
For at opnå dette, forskerne tilføjer simpelthen en af komponenterne i polymernetværket meget langsomt til en stor mængde af den anden komponent. Ved at bruge denne tilgang, de var i stand til at halvere antallet af løkker, i en række forskellige polymernetværksstrukturer. Dette kunne være en nem måde for producenter af industrielt anvendelige materialer såsom plast eller geler til at styrke deres materialer.
"Bare ved at ændre, hvor hurtigt du tilføjer en komponent til den anden, du kan forbedre de mekaniske egenskaber, " siger Jeremiah A. Johnson, Firmenich Career Development Associate Professor of Kemi ved MIT og seniorforfatteren af papiret.
MIT kandidatstuderende Yuwei Gu er den første forfatter af papiret, som fremgår af Proceedings of the National Academy of Sciences ugen den 24. april.
Andre forfattere er MIT-lektor i kemiteknik Bradley Olsen; MIT kandidatstuderende Ken Kawamoto; tidligere MIT postdocs Mingjiang Zhong og Mao Chen; Case Western Reserve University assisterende professor Michael Hore; Case Western Reserve kandidatstuderende Alex Jordan; og tidligere MIT-gæsteprofessor og Case Western Reserve Associate Professor LaShanda Korley.
Styrende sløjfer
I 2012 Johnsons gruppe udtænkte den første måde at måle antallet af sløjfer i et polymernetværk og validerede disse resultater med teoretiske forudsigelser fra Olsen. Forskerne fandt ud af, at løkkerne kan udgøre omkring 9 procent til næsten 100 procent af netværket, afhængig af koncentrationen af polymerkæder i udgangsmaterialet og andre faktorer.
Et par år senere, Johnson og Olsen udviklede en måde at beregne, hvor meget disse sløjfer svækker et materiale. I deres seneste arbejde, de satte sig for at reducere sløjfedannelse, og at opnå dette uden at ændre sammensætningen af materialerne.
"Målet, vi satte os, var at tage det samme sæt forstadier til et materiale, som man normalt ville bruge, og, bruger nøjagtig de samme prækursorer under de samme betingelser og i samme koncentration, lav et materiale med færre løkker, " siger Johnson.
I denne avis, forskerne fokuserede først på en type polymerstruktur kendt som et stjernepolymernetværk. Dette materiale har to forskellige byggesten:en stjerne med fire identiske arme, kendt som "B4, " og en kæde kendt som "A2." Hvert molekyle af A2 hæfter til enden af en af B4-armene. under den typiske synteseproces, når alt er blandet sammen på én gang, nogle af A2-kæderne ender med at binde sig til to af B4-armene, danner en løkke.
Forskerne fandt ud af, at hvis de tilføjede B4 meget langsomt til en opløsning af A2, hver af B4-armene ville hurtigt reagere med et enkelt molekyle af A2, så der var mindre mulighed for A2 at danne løkker.
Efter et par timers langsom tilsætning af halvdelen af B4-opløsningen, de tilføjede anden halvdel på én gang, og de stjerneformede underenheder sluttet sammen for at danne et tværbundet netværk. Dette materiale, fandt forskerne, havde omkring halvt så mange sløjfer som det samme materiale produceret ved hjælp af den traditionelle synteseproces.
Afhængigt af hvor mange sløjfer der var i det originale materiale, denne "langsom så hurtig" strategi kan forbedre materialets styrke med så meget som 600 procent, siger Johnson.
Bedre produkter
Forskerne prøvede også denne teknik med fire andre typer polymernetværkssyntesereaktioner. De var ikke i stand til at måle antallet af sløjfer for alle disse typer polymerer, men de fandt lignende forbedringer i materialernes styrke.
Denne tilgang kan potentielt hjælpe med at forbedre styrken af ethvert materiale fremstillet af en gel eller anden tværbundet polymer, inklusive plast, membraner til vandrensning, klæbemidler lavet af epoxy, eller hydrogeler såsom kontaktlinser.
Johnsons laboratorium arbejder nu på at anvende denne strategi på en række forskellige materialer, herunder geler, der bruges til at dyrke celler til vævsteknologi.
Sidste artikelTræfilter fjerner giftigt farvestof fra vandet
Næste artikelForskere udvikler miljøvenlige, 4-i-1 katalysator