Ingeniører finder, at flaskebørste -copolymerer kan skræddersys til applikationer

En mikroskopisk polymer i form af et fælles køkkenredskab kan give industrien udsøgt kontrol over belægninger.

Flaskebørste -copolymerer har længe været et emne for Rafael Verduzco, en kemisk og biomolekylær ingeniør ved Rice University's Brown School of Engineering. Nu, han og hans samarbejdspartnere har udviklet modeller og metoder til at forfine overfladebelægninger til fremstilling af dem, for eksempel, mere vandtæt eller mere ledende.

Forskerne opdagede, at flaskebørster blandet med lineære polymerer har tendens til at migrere til toppen og bunden af ​​en tynd film, når den tørrer. Disse film, som belægninger, er allestedsnærværende i produkter, for eksempel som vandtætte lag for at forhindre metaller i at ruste eller tekstiler mod farvning.

Når migrationen sker, de lineære polymerer holder midten, mens flaskebørsterne trækkes til luften ovenover eller underlaget nedenfor. Det her, Verduzco sagde, afkobler effektivt bulkbelægningens egenskaber fra dets udsatte overflader.

Beregningsmodeller og eksperimenter viste, at variationer i selve flaskebørsten kunne bruges til at kontrollere overfladeegenskaber.

Flaskebørste -polymerer er stadig udfordrende at lave i bulk, Verduzco sagde, men deres potentielle anvendelser er enorme. Ansøgninger kan omfatte levering af lægemidler via funktionaliserede flaskebørster, der danner miceller, smøremidler, bløde elastomerer, antifouling-filtre og overflader, der helbreder sig selv, han sagde.

Detaljerne fremgår af American Chemical Society journal Makromolekyler .

Rislaboratoriet, med hjælp fra jævnaldrende ved University of Tennessee, Knoxville; Oak Ridge National Laboratory og University of Houston, karakteriseret forskellige flaskebørster lavet af polystyren og poly (methylmethacrylat) (også kaldet PMMA), mens de studerede, hvad der får polymererne til at migrere.

Ligner deres makrokøkkenkusiner (samt visse blomster), flaskebørster består af små polymerkæder, der stråler udad fra en lineær polymerstang. Flaskebørsterne samler sig selv i en opløsning, som kan manipuleres til at justere deres egenskaber.

Belægninger er allestedsnærværende, Sagde Verduzco. "Hvis vi ikke havde de rigtige belægninger, vores materialer ville hurtigt nedbrydes, "sagde han." De ville reagere på måder, vi ikke vil have dem til. Så belægning af en overflade er normalt en separat proces; du laver noget, og så skal du finde en måde at lægge et belægning oven på det.

"Det, vi ser på, er en slags universelt tilsætningsstof, et molekyle, du kan blande med det, du laver, og som spontant vil gå til overfladen eller grænsefladen, sagde han. "Sådan endte vi med at bruge flaskebørster."

Flaskebørster kan indstilles ved at variere antallet af sidekæder, deres længde eller længden af ​​rygradspolymeren Sagde Verduzco. Selve sidekæderne kan være af blandet type, og små molekyler eller proteiner kan tilsættes til deres slutgrupper.

"Kemien i disse materialer er avanceret tilstrækkeligt til, at du stort set kan sætte næsten enhver form for polymer som en af ​​disse børster på sidekæden, sagde han. Du kan sætte dem i forskellig rækkefølge.

Forskerne fandt entropisk og enthalpisk termodynamik drev flaskebørster næsten helt væk fra filmens indre og mod grænsefladerne, da de tørrede. Selv hvor lineære polymerer blev designet til at parre med overfladegrænsefladen, flaskebørsterne steg stadig til den udsatte overflade.

Verduzco bemærkede, at resultaterne blev muliggjort på tidspunktet for flyvesekundær ionmassespektrometer erhvervet af Rice i 2018 gennem et National Science Foundation-tilskud. Spektrometeret tillod forskerne at karakterisere ikke kun overfladen af ​​belægninger ved at bombardere dem med ioner, men også hvordan belægninger ændrede sig, da mikroskopiske lag blev fjernet ovenfra og ned.