Indestår for Vonnegut:Ingeniører studerer polymer, der fryser ved stuetemperatur

I Kurt Vonneguts sci-fi-klassiker Kattens vugge , ice-nine er et stof, der er i stand til at hæve vands smeltepunkt fra 32 til 114,4 grader Fahrenheit. En gang i kontakt med vand, det spreder sig øjeblikkeligt og uendeligt, efterlader frosne oceaner og kølige konsekvenser i kølvandet. Heldigvis, som Vonnegut forklarer i epigrafen, 'Intet i denne bog er sandt.' Da han skrev romanen i 1963, han kan have haft ret.

Forskere ved University of Pittsburgh har opdaget den fantastiske opførsel af en flydende polymer, der er i stand til at fryse vand ved stuetemperatur. Ud over at tro på Vonneguts profetiske fantasi, den resulterende blanding trodser tilsyneladende termodynamikkens anden lov, som siger, at inden for et isoleret system, entropien stiger altid.

"Når du blander to rene komponenter sammen, entropien (eller graden af ​​uorden), stiger altid, " forklarer John Keith, assisterende professor i kemiteknik og Richard King Mellon Faculty Fellow i Energi ved Pitt's Swanson School of Engineering. "Den lidelse får næsten altid blandinger til at have en nederste frysepunkt end nogen af ​​komponenterne individuelt, ikke højere."

Blandingen af ​​salt og vand, for eksempel, fryser ved lavere temperaturer end enten salt eller vand individuelt. Denne kvalitet gør salt velegnet til at smelte is på veje og fortove om vinteren. Imidlertid, når en bestemt polymer - kendt som polyoxacyclobutan (POCB) - blandes med vand, det hæver blandingens frysepunkt fra 32 grader Fahrenheit til omkring 100 grader Fahrenheit. Forskerne offentliggjorde deres resultater i tidsskriftet American Chemical Society (ACS). Makromolekyler .

Denne adfærd er ikke helt uden fortilfælde. Blanding af visse metaller i specifikke proportioner kan skabe legeringer, der har højere smeltepunkter end de enkelte metaller. Fordi legeringer består af mindst to atomer af forskellig størrelse, gunstige kombinationer af atomer kan væve sammen for at skabe stærke kemiske bindinger, der modvirker termodynamikkens anden lov.

"Denne adfærd, hvor blandingen smelter højere end dens komponenter, er velkendt i metaller. Men det er meget usædvanligt, blandt ikke-metaller, " siger Sachin Velankar, lektor i kemiteknik ved Pitt og ekspert i polymervidenskab. "Efter min bedste viden, POCB ser ud til at være det eneste stof, der viser denne adfærd med vand."

POCB kom oprindeligt til universitetet fra kemikalieproducenten DuPont som en del af et forskningssamarbejde mellem virksomheden og Robert Enick, næstformand for forskning for kemiingeniørafdelingen. En kandidatstuderende, der arbejdede i Dr. Enicks laboratorium, bemærkede, at den flydende polymer blev uklar, når den blev blandet med dråber vand, men mere nysgerrigt, den resulterende kombination - eller "hydrat" - var en blød pasta (svarende til jordnøddesmør), når en præcis mængde vand blev tilsat. Endnu mere mærkeligt, forsøg på materialet viste, at der dannedes velordnede krystallitter mellem to væsker.

Dr. Keith og kolleger brugte computermodellering til at finde en stabil hydratstruktur, hvor vandmolekyler trænger sig gennem polymeren for at danne hydrogenbindinger, der holder materialet sammen som små lynlåse. "Det tager mindre end en time for blandingen at samle sig selv ved stuetemperatur, og den endelige tekstur er som læbepomade, " siger Dr. Keith.

Pitt-forskerne gennemsøgte videnskabelige tidsskrifter for at finde videnskabelige referencer til hydrater af POCB, som blev produceret af DuPont i slutningen af ​​2000'erne med navnet "Cerenol", fordi det er lavet af majs (en "korn"-korn). Først kom deres søgning til kort, men en samtale med Eric Beckman, Distinguished Service Professor i kemiteknik og meddirektør for Pitts Mascaro Center for Sustainable Innovation, tippede dem til andre navne, som polymeren kunne have heddet tidligere. Kort efter, fandt Pitt-forskerne ud af, at hydratstrukturen allerede var blevet opdaget af et hold japanske forskere i slutningen af ​​1960'erne.

"Polymeren går under fire eller fem navne, og nogle er ikke-intuitive, " siger Dr. Velankar. "Efter at vi fandt de tidligere undersøgelser, vi indså, at vi indså, at vi havde opdaget en spændende facet af et gammelt fund."

Det japanske hold, ved at bruge lignende røntgenteknikker som dem, der blev fortolket af Watson og Crick til at identificere dobbelthelixen i DNA, havde fundet lignende hydratstrukturer ved at smelte højmolekylære former af polymeren, der var faste ved stuetemperatur. Det studie, som også optrådte i ACS makromolekyler i 1970, er gået relativt ubemærket hen i de fem årtier, der er gået siden udgivelsen. Innovationen fra Pitt-forskerne er, at lignende hydrater kan dannes spontant med lavmolekylære former af polymeren, der er flydende ved stuetemperatur, dermed eliminerer behovet for smeltning før blanding med vand.

"Polymeren kan også skånsomt suge fugt ud af luften naturligt, " siger Dr. Velankar. "Vi følte, at denne adfærd var en kuriosum, men meget interessant. Vores forskning har for det meste været en grundlæggende udforskning af et meget usædvanligt fænomen, men der er mange potentielle applikationer at overveje."

Pitt Engineering-forskerne har allerede samarbejdet med Alexander Star i Pitt's Department of Chemistry for at belægge en nanorørelektrode med polymeren for at gøre den til en computerhukommelsesenhed. ACS-journalen Materialernes kemi offentliggjort resultaterne af undersøgelsen.

En af de potentielle anvendelser vil bestemt ikke være en dommedagsenhed som Vonneguts ice-nine, fordi POCB ikke kan spredes øjeblikkeligt eller uendeligt gennem vandkilder. I stedet for at udløse apokalypsen, forskere ved University of Pittsburgh mener, at opdagelsen af ​​denne polymers fryseadfærd kan varsle nye innovationer.

"Nu hvor vi kender et eksempel på en polymer-vand-blanding med disse kvaliteter, vi kan nu søge efter andre blandinger, der kan have andre interessante egenskaber, " siger Dr. Keith. "Jeg er meget optimistisk over, at dette er en spændende ny klasse af krystallinske materialer, der spontant dannes fra blandinger af væsker."