En ny, hurtigere måde at behandle diblok-polymermaterialer på

Forskere har for nylig opdaget en bedre måde at lave en ny klasse af bløde materialer på - hvilket reducerer en proces, der plejede at tage fem måneder ned til tre minutter.

Connor Valentine, en kemiingeniør Ph.D. studerende, og Lynn Walker, professor i kemiteknik, arbejde med diblokpolymerer. Diblokpolymerer er kædelignende molekyler, hvor den ene ende af kæden er hydrofob, og den anden er hydrofil. Molekyler som dette bruges i sæbe, fordi den hydrofobe side griber fat i snavs og olie, men den hydrofile side holder molekylerne opløst i vandet.

Når disse molekyler placeres i vand i høje nok koncentrationer, de begynder at danne klynger:De hydrofile dele klumper sig sammen i midten af ​​bolden for at undgå fugt. De hydrofobe sider arrangeres i et børstelignende lag på ydersiden af ​​bolden, beskytter det hydrofobe center.

Imidlertid, efterhånden som du tilføjer flere polymerer i vandet, de begynder at løbe tør for plads og stable sig intelligent og spontant. Det ville være, som om du forsøgte at få plads til det maksimale antal tennisbolde i en kasse - du ville forsigtigt stable hvert lag.

Når de danner disse stakke, de kaldes krystaller, fordi de organisatoriske mønstre vil gentage sig igen og igen i alle retninger. Krystallinske strukturer som denne findes overalt i naturen, herunder i ædelstene, metaller, og polymere materialer. Folk har udnyttet den gentagne og ensartede afstand til at skabe polymere membraner til filtrering af vand og gasser. Der er også spændende anvendelsesmuligheder i nye bløde materialer, med applikationer, der inkluderer medicinske implantater, klæbemidler, bæredygtig fødevareemballage, flydende skønhedsprodukter, og endda krydderier.

Imidlertid, problemet kommer ind, når forskere forsøger at lave specifikke krystallinske strukturer. Ingeniører skal være i stand til konsekvent at producere krystaller med specifikke arrangementer og størrelser for at opnå den ønskede materialeydelse i markedsskala. Imidlertid, behandlingsproblemer kan opstå, når de ikke fuldt ud forstår de kræfter, der driver krystaldannelsen. Forkert temperaturændring, blandingshastighed, eller formulering kan forårsage, at der pludselig dannes krystaller, nedbryde, eller overgang til en anden krystallinsk organisation. Den medfølgende ændring i materialeegenskaber kan blokere blandere, ødelægge udstyr, og resultere i et værdiløst slutprodukt.

I dette arbejde, den ønskede krystallinske tilstand kan tage måneder at danne ved stuetemperatur. Denne faktor kan forårsage store problemer, med virksomheder, der opdager, at de har et produkt med helt andre egenskaber efter tre måneder – måske er det chunky, eller det er blevet stift – eller måske skal virksomheden vente tre måneder med at sælge deres produkt, fordi det tager så lang tid at få den gelkonsistens, de ønsker.

"Det er vigtigt for folk at forstå, hvordan disse polymermolekyler bliver til krystaller, " siger Valentine. "Og det er ikke kun, hvis de bliver til den krystal, de vil have; det er hastigheden af ​​det, farten. Også, vil der være andre krystalfaser til stede? Vil hvert stykke af det krystallinske materiale blive orienteret konsekvent?"

Valentine og Walker arbejdede med samarbejdspartnere fra University of Minnesota, der opdagede, at hastigheden af ​​opvarmning og afkøling kan producere mellemliggende krystalstrukturer, der holder i flere måneder. Valentines team byggede på deres samarbejdspartneres arbejde og undersøgte virkningen af ​​forskydningsbehandling på disse krystalstrukturer. Forskydningsbearbejdning er et bredt begreb, der inkluderer trin som blanding, maleri, belægning, og ryster - materialet bevæger sig. Farten, varighed, og forskydningsretningen kan virkelig have betydning for materialer som dem, der bruges i dette arbejde.

"Ketchup er et godt eksempel på, hvorfor forskydningsbearbejdning påvirker bløde materialer, fordi ketchup har en flydespænding og fortynder, når du blander eller behandler det, " forklarer Valentine. "Hvis du prøver at få ketchup ud af en glasflaske, og den er gel eller fast-lignende, det vil ikke flyde. Men små tryk (på den rigtige del af flasken) vil få ketchuppen til at flyde meget pænt. Forskydningen ændrer ketchupens mikrostruktur, som så ændrer flowegenskaberne. Det er vigtigt, at vi forstår, hvordan forskydning påvirker ethvert materiale, vi arbejder med, på samme måde."

I dette arbejde, forfatterne brugte en oscillerende forskydningsstrøm, som involverer at placere gelen eller det bløde materiale mellem to parallelle plader - hvor toppladen kan rotere frem og tilbage. Forskere kan styre toppladens hastighed og længde. Da Valentine og hans team satte diblok-polymerkrystallerne ind i denne forskydningscelle, de var i stand til at få den krystallinske fase til at ændre sig til ligevægtsstrukturen inden for tre minutter. Minnesota-teamet havde tidligere fundet ud af, at den samme strukturelle ændring tager næsten fem måneder at sidde ved stuetemperatur uden forskydning.

"Forskydningsbehandling kan hjælpe med dynamikken, farten, og hastighederne for strukturelle ændringer, ikke kun det endelige resultat, hvilket er noget folk ikke rigtig tænker over, " siger Valentine. "De tænker ofte, når du klipper disse materialer, det vil ændre strukturen til noget andet, men det er ikke nødvendigvis sandt."

Holdet målte disse resultater ved at besøge Advanced Photon Source Synchrotron acceleratoren ved Argonne National Laboratory, som i det væsentlige er en kilometer bred partikelaccelerator. Elektroner accelereres rundt i anlæggets cirkel med næsten lysets hastighed. Hver gang de vender sig, en røntgenstråle forlader cirklen. De brugte disse højintensive røntgenstråler til at måle krystalstrukturen i realtid.

Deres resultater, udgivet i ACS makrobogstaver , viste, at hastighedsforøgelsen forekommer og detaljerede, hvordan man justerer forskydningsparametrene for at opnå den ønskede krystaldannelseshastighed. De fandt endda ud af, at du kan forhindre ændringen i at ske helt, hvis forskydningen er ved meget lave frekvenser med meget lange oscillationscyklusser.

"Vi var i stand til at vise, at dette forskydningsbearbejdningstrin bare er en meget kontrollerbar måde at få den struktur, du ønsker, og hvor hurtigt du vil have den, " siger Valentine.

Forskningen var i samarbejde med Ashish Jayaraman og Mahesh K. Mahanthappa, begge fra University of Minnesota.