Samarbejde fører til 2-D polymer opdagelse

Hærens forskere nåede et gennembrud i den begyndende videnskab om todimensionelle polymerer takket være et samarbejdsprogram, der får hjælp fra ledende videnskabsmænd og ingeniører på tværs af den akademiske verden, kendt som fælles fakultetsudnævnelser.

Forskere fra U.S. Army Combat Capabilities Development Command, nu kendt som DEVCOM, Army Research Laboratory samarbejdede med prof. Steve Lustig, en fælles fakultetsansættelse ved Northeastern University, at accelerere udviklingen af ​​2-D polymerer til militære applikationer.

Samarbejdet med ARL Northeast førte til en banebrydende undersøgelse offentliggjort i det peer-reviewede videnskabelige tidsskrift Makromolekyler . Redaktører fremhævede forskningen i en forsideartikel.

"2-D polymerer er blevet undersøgt meget seriøst fra et syntetisk synspunkt i kun omkring 10 år, " sagde Dr. Eric Wetzel, forskningsområdeleder for Soldatermaterialer på laboratoriet. "De repræsenterer en ny, relativt uudforsket klasse af materialer med et enormt potentiale."

Ifølge Wetzel, 2-D polymerer har en meget gentagelig, symmetrisk mønster svarende til "kyllingetråd, "som giver adgang til flere strukturelle forbedringer sammenlignet med endimensionelle, lineære polymerer som Kevlar.

I et forsøg på at måle det fulde potentiale af disse materialer, Hærens forskere er begyndt at designe 2-D polymerer i håb om, at de kan udvikle et overlegent alternativ til konventionelle aramidfibre til applikationer som panser og brandsikkert tøj.

Prof. Steve Lustig, en fælles fakultetsansættelse ved Northeastern University, bruger sin brancheerfaring med DuPont til at hjælpe hærens forskere med at beregne miljøholdbarheden af ​​simulerede 2-D polymerer.

For korrekt at skabe en 2-D polymer, der kan modstå virkelige forhold, Hærens forskere søgte hjælp fra Lustig, som tidligere har arbejdet hos DuPont Central Research &Development i over to årtier, før han blev lektor med ansættelse ved Northeastern University.

"Idéen med 2-D polymerprojektet er i bund og grund at lave en 2-D version af Kevlar, " sagde Lustig. "Jeg havde over ti års erfaring med at arbejde med Kevlar forretningen i forskellige aspekter af flydende krystallinsk polymer polymerisation, forarbejdning og egenskaber. ARL-teamet troede på, at min baggrund ville være nyttig."

Lustig forklarede, at han først havde lært om laboratoriet i midten af ​​2000'erne, da han kom i kontakt med Dr. Kenneth Strawhecker, en hærforsker, der havde nået ud til DuPont i søgen efter industrisamarbejde.

På det tidspunkt, Lustig arbejdede som ledende videnskabsmand i DuPonts polymerfysikgruppe og specialiserede sig i udviklingen af ​​nye værktøjer til statistisk mekanik, statistisk termodynamik og molekylære simuleringer.

Ud over hans ekspertise inden for den beregningsmæssige side af industriel forskning, han udførte også eksperimenter i kemisk syntese, polymerbehandling, egenskabskarakterisering af polymermateriale og atomkraftmikroskopi.

"Jeg har aldrig haft tålmodighed til at blive på ét sted og blive en mester på bare et meget lille område, " sagde Lustig. "Jeg har altid prøvet at løse problemer holistisk ved hjælp af eksperimenter, teori og computere."

Engang Lustig mødtes med Strawhecker, de to indledte en række uformelle samarbejder, der fokuserede på brugen af ​​atomkraftmikroskopi for at forstå ikke kun strukturen af ​​Kevlar-materialer, men også deres reaktion på trækbelastning og bøjningsmekanik.

Det videnskabelige tidsskrift Makromolekyler viser den hærledede undersøgelse på indersiden af ​​dets seneste nummer.

American Chemical Society offentliggjorde senere resultatet af denne forskning som forsiden af ​​det peer-reviewede videnskabelige tidsskrift Anvendte materialer og grænseflader i 2020.

Selv efter at Lustig forlod DuPont i 2016, han fortsatte sit samarbejde med laboratoriet som gæsteforsker. Kort efter en af ​​hans seminarpræsentationer i laboratoriet, han mødte Wetzel, som straks anerkendte værdien af ​​Lustigs brancheerfaring.

I løbet af hans fortsatte interaktion med Strawhecker og Wetzel, Lustig fik muligheden for at blive en ARL Joint Faculty Udnævnelse, efter at han sluttede sig til Institut for Kemiteknik ved Northeastern University.

På grund af hans nærhed til ARL's nordøstlige campus, både Strawhecker og Wetzel så Lustig som en topkandidat til stillingen.

"ARL Open Campus Initiative giver en måde at udnytte ekstern ekspertise, som måske ikke eksisterer i vores laboratorium, " sagde Wetzel. "Den fælles fakultetsudnævnelse er en ny konstruktion inden for Open Campus, som kun har eksisteret i et par år, men vi var i stand til at integrere en ekspert med mange års erfaring hos DuPont i vores forskningsprogram takket være denne mekanisme."

Ifølge Wetzel, Lustigs lange historie med højtydende fiberudviklingsprojekter hos DuPont gav hærens forskere adgang til unikke modelleringsevner samt uvurderlig vejledning om de metoder og teknikker, der ville forbedre stabiliteten af ​​deres konceptuelle 2-D-polymerer.

Som en fælles fakultetsansættelse, Lustig analyserede den miljømæssige holdbarhed af laboratoriets 2-D polymerdesign og kørte computersimuleringer, der bestemte, hvor godt de tåler ekstreme forhold såsom intens varme.

Lustig arbejdede sammen med Dr. Jan Andzelm, en hærforsker og ARL-stipendiat, hvis ekspertise i molekylære simuleringer af polymerer var afgørende for at udføre beregningerne.

Gennem disse computersimuleringer, forskerne sammenlignede den termiske stabilitet af 1D-polymeren Kevlar, en 2-D polymer kaldet en amid kovalent organisk ramme, kendt som amCOF, og en hypotetisk 2-D polymer designet af laboratoriet kaldet grafamid.

"Vi udførte en række meget præcise, kvantemekaniske beregninger på højt niveau kaldet ab initio molekylær dynamik og studerede ændringerne i strukturen mellem de tre molekyler, vi så på, " sagde Lustig. "Når vi bekræftede, at vores metode nøjagtigt kunne beskrive et velkendt molekyle som Kevlar, vi kunne anvende det på molekyler, vi ikke kendte som grafamid og lave præcise forudsigelser om deres adfærd og egenskaber."

Resultaterne af sammenligningsundersøgelsen viste, at grafamid potentielt kunne modstå temperaturer helt op til 700 grader Celsius, som overskred grænserne for både Kevlar og amCOF-materialet.

I betragtning af undersøgelsens accept som forsideartikel, Lustig sagde, at han mener, at holdets seneste succes tydeligt fremhæver vigtigheden af ​​ARL Open Campus-initiativer, såsom de fælles fakultetsudnævnelser.

Lustig udtrykte sin taknemmelighed over for laboratoriet for hans stilling og nævnte, hvordan han så muligheden som en glimrende måde for ham at hjælpe hæren med dens indsats.

"Jeg blev involveret i Kevlar i første omgang, fordi min far var karrierehær, så ideen om at beskytte fyre som min far er virkelig vigtig for mig." Lustig sagde. "Jeg er meget begejstret for, at vi vil være i stand til at tilbyde soldater nye materialer for at gøre deres arbejde nemmere og sikrere."