Østersskaller inspirerer til ny metode til at gøre superstærke, fleksible polymerer

Forskere ved Columbia Engineering har for første gang demonstreret en ny teknik, der tager sin inspiration fra perlemoren af ​​østersskaller, et kompositmateriale, der har ekstraordinære mekaniske egenskaber, herunder stor styrke og robusthed. Ved at ændre krystallisationshastigheden af ​​en polymer, der oprindeligt var godt blandet med nanopartikler, holdet var i stand til at kontrollere, hvordan nanopartiklerne selv samles til strukturer i tre meget forskellige længdeskalaregimer. Denne flerskala bestilling kan gøre basismaterialet næsten en størrelsesorden stivere, samtidig med at den ønskede deformerbarhed og lette opførsel af polymermaterialerne bevares. Studiet, ledet af Sanat Kumar, Bykhovsky professor i kemiteknik, udgives 7. juni online i ACS Central Science .

"I bund og grund, vi har skabt en et-trins metode til at bygge et kompositmateriale, der er betydeligt stærkere end dets værtsmateriale, " siger Kumar, ekspert i polymerdynamik og selvsamling. "Vores teknik kan forbedre de mekaniske og potentielt andre fysiske egenskaber af kommercielt relevante plastmaterialer, med applikationer i biler, beskyttende belægninger, og mad-/drikkevareemballage, ting vi bruger hver dag. Og, ser længere frem, vi kan også være i stand til at producere interessante elektroniske eller optiske egenskaber af nanokompositmaterialerne, potentielt muliggør fremstilling af nye materialer og funktionelle enheder, der kan bruges i strukturelle applikationer såsom bygninger, men med evnen til at overvåge deres helbred in situ."

Omkring 75 procent af kommercielt anvendte polymerer, inklusive polyethylen til emballering og polypropylen til flasker, er semikrystallinske. Disse materialer har lav mekanisk styrke og kan derfor ikke bruges til mange avancerede applikationer, såsom bilbeslag som dæk, fan remme, kofangere, etc. Forskere har kendt i årtier, tilbage til begyndelsen af ​​1900-tallet, den varierende nanopartikeldispersion i polymer, metal, og keramiske matricer kan dramatisk forbedre materialeegenskaber. Et godt eksempel i naturen er Nacre, som er 95 procent uorganisk aragonit og 5 procent krystallinsk polymer (chitin); dens hierarkiske nanopartikelrækkefølge - en blanding af interkalerede sprøde blodplader og tynde lag af elastiske biopolymerer - forbedrer kraftigt dets mekaniske egenskaber. Ud over, parallelle aragonitlag, holdt sammen af ​​et nanoskala (? 10 nm tykt) krystallinsk biopolymerlag, danner "mursten", der efterfølgende samles til "mursten-og-mørtel"-overbygninger i mikrometerskala og større. Denne struktur, i flere længdestørrelser, øger dens sejhed betydeligt.

"Mens det at opnå den spontane samling af nanopartikler i et hierarki af skalaer i en polymervært har været en 'hellig gral' inden for nanovidenskab, indtil nu har der ikke været nogen etableret metode til at nå dette mål, " siger Dan Zhao, Kumars ph.d.-studerende og førsteforfatter på dette papir. "Vi tacklede denne udfordring gennem de kontrollerede, multiskala samling af nanopartikler ved at udnytte kinetikken ved polymerkrystallisering. "

Mens forskere, der fokuserer på polymer nanokompositter, har opnået let kontrol af nanopartikelorganisation i en amorf polymermatrix (dvs. polymeren krystalliserer ikke), til dato har ingen været i stand til at tune nanopartikelsamling i en krystallinsk polymermatrix. En relateret tilgang var baseret på isskabeloner. Ved at bruge denne teknik, efterforskere har krystalliseret små molekyler (overvejende vand) for at organisere kolloide partikler, men, på grund af den iboende kinetik af disse processer, partiklerne udstødes normalt ind i mikroskalaens korngrænser, og derfor har forskere ikke været i stand til at bestille nanopartikler på tværs af de flere skalaer, der er nødvendige for at efterligne nacre.

Kumars gruppe, eksperter i at justere strukturen og derfor egenskaberne af polymer nanokompositter, fandt det, ved at blande nanopartikler i en opløsning af polymerer (polyethylenoxid) og ændre krystallisationshastigheden ved at variere graden af ​​underafkøling (nemlig hvor langt under smeltepunktet krystallisationen blev udført), de kunne kontrollere, hvordan nanopartiklerne selv samles i tre forskellige skalaregimer:nano, mikro, og makro-meter. Hver nanopartikel var jævnt omgivet af polymererne og jævnt fordelt, før krystallisationsprocessen begyndte. Nanopartiklerne blev derefter samlet til ark (10-100 nm) og arkene til aggregater på mikroskalaen (1-10 μm), når polymeren blev krystalliseret.

"Denne kontrollerede selvsamling er vigtig, fordi den forbedrer materialernes stivhed, samtidig med at de holder dem seje, " siger Kumar. "Og materialerne bevarer den lave tæthed af den rene semikrystallinske polymer, så vi kan holde vægten af ​​en strukturel komponent lav, en egenskab, der er kritisk for applikationer som biler og fly, hvor vægt er en kritisk betragtning. Med vores alsidige tilgang, vi kan variere enten partiklen eller polymeren for at opnå en bestemt materialeadfærd eller enhedens ydeevne."

Kumars team planlægger dernæst at undersøge de grundlæggende faktorer, der gør det muligt for partikler at bevæge sig mod bestemte områder af systemet, og at udvikle metoder til at fremskynde kinetikken af ​​partikelbestilling, som i øjeblikket tager et par dage. De planlægger derefter at udforske andre applikationsdrevne polymer/partikelsystemer, såsom polylactid/nanopartikelsystemer, der kan konstrueres som næste generations bionedbrydelige og bæredygtige polymer-nanokompositter, og polyethylen/silica, som bruges i bilkofangere, bygninger, og broer.

"Potentialet for at udskifte strukturelle materialer med disse nye kompositter kan have en dybtgående effekt på bæredygtige materialer såvel som vores lands infrastruktur, " siger Kumar.