Bærende sammenfiltringer i polymerglas

Forviklingers rolle kan bestemme de mekaniske egenskaber af glaspolymerblandinger. I en ny rapport nu offentliggjort den Videnskab fremskridt , Cynthia Bukowski og et forskerhold inden for polymervidenskab og biomolekylær teknik ved University of Massachusetts og University of Pennsylvania, OS., udviklet en kombineret metode til eksperimenter og simuleringer for at kvantificere forviklingers rolle på polymerglas. Teamet gennemførte uniaxiale forlængelsesforsøg på 100 nm tynde film med en bidispersiv blanding af polystyren, til sammenligning med molekylære dynamiksimuleringer af en grovkornet model af polymerglas. De bidispersive blandinger tillod systematisk indstilling af sammenfiltringstætheden i begge systemer, og forskerne målte filmstyrken eksperimentelt og beskrev den simulerede filmhårdhed ved hjælp af en model til at tage højde for bærende sammenfiltringer.

Bryde glasagtige polymerer

Glasagtige polymerer er vigtige for en række teknologier fra additiv fremstilling til filtrering af rene vandmembraner. Materialernes stivhed og bearbejdelighed gør dem attraktive for mange applikationer, hvor forskere kan bestemme deres levetid og ydelsesgrænser. Forviklingerne mellem polymermolekyler i den glasagtige tilstand spiller en væsentlig rolle for at bestemme styrke. Glasagtige polymermaterialer er overdrevent sprøde under et kritisk antal sammenfiltringer pr. Molekyle og kan bryde ved faldende stressniveauer. Polymermaterialer kan sprede energi over en kritisk sammenfiltringstæthed for at øge deres styrke og sejhed. Disse processer er unikke og giver anledning til vidtrækkende teknologier. Forstørrelser er vigtige for styrke, men kræver flygtige og dyre opløsningsmidler eller for høje temperaturer under behandlingen. I dette arbejde, Bukowski et al. kombinerede nye eksperimentelle strategier med molekylær dynamiksimuleringer for at afsløre, hvordan alle sammenfiltringer ikke lige bidrog til et polymerglas. Teamet udviklede og validerede en skaleringsteori til at beskrive antallet af forstærkede sammenfiltringer pr. Polymerkæde for at danne en ramme for at maksimere styrken med minimale sammenfiltringer i et polymerglas.

Polymerglasens mekaniske egenskaber var afhængige af samspillet mellem van der Waals kræfter og sammenfiltringer. Plastisk deformation er ofte forbundet med forskydningsdeformationszoner, der går forud for revnsvækst. Forviklinger spiller en væsentlig rolle i forskydningszoner med forskydning, og deres stabilitet eller modstandsdygtighed over for dannelse af en revne er en funktion af sammenfiltringstæthed samt temperatur og belastningshastighed. Disse deformationer kan spores eksperimentelt med optisk og transmissionselektronmikroskopi. Bukowski et al. overvandt eksisterende grænser for undersøgelsen ved hjælp af en nyligt udviklet eksperimentel metode til at måle stress-belastningsresponsen af ​​ultratynde polymerfilm. Molekylær dynamik (MD) simuleringer har givet værdifuld indsigt i processen med sammenfiltringer i polymersmeltninger og glas, hvor simuleringerne stemte meget godt overens med eksperimenterne. Ud over simuleringerne skaleringsteorierne bidrog også til at definere sammenfiltrings rolle i polymerglasers mekaniske egenskaber. Den kombinerede tilgang af eksperimentelle og MD -tilgange tillod teamet at undersøge det makroskopiske perspektiv af eksperimentelle film og det molekylære syn på lokale dynamiksimuleringer, at forstå polymerstyrke.

Mekaniske egenskaber ved polymerblandinger og tællende sammenfiltringer

Bukowski et al. regulerede antallet af sammenfiltringer i systemet ved at blande monodisperse polymerer med samme kemiske struktur. Denne metode gav dem mulighed for at prøve en bred vifte af sammenfiltringer pr. Kæde. Både eksperimenter og simuleringer gav kvalitativ indsigt for at forstå, hvordan sammenfiltringsnetværket bidrog til de mekaniske egenskaber af glasagtige polymermaterialer. Under forsøgene, når koncentrationen af ​​de længste kæder faldt, den maksimale stress og fiaskostamme begyndte også at falde. Teamet noterede sig forskellige fejlmekanismer ved at variere graden af ​​fortynding og dikterede det elastiske modul for polymerens glasagtige tilstand af lokale intersegmentinteraktioner domineret af van der Waals kræfter. Som Bukowski et al. integrerede langkædede polymerer, sejheden målt i simuleringerne afslørede en monoton stigning.

Eksperimenter og simuleringer

Den eksperimentelle maksimale stress og simulerede sejhedsværdier syntes at skalere forskelligt for forskellige eksperimentelle modeller. Resultaterne matchede godt med en fysikmodel introduceret af Mikos og Peppas. Ifølge simuleringerne ikke alle sammenfiltringer i et system var bærende. Senere, holdet bemærkede, at de simulerede stammer var meget større end dem, der blev observeret eksperimentelt. For præcist at redegøre for ændringer i bærende sammenfiltringer, holdet overvejede det gennemsnitlige antal sammenfiltringer pr. kæde. Bukowski et al. udviklede derefter en model og anvendte metoden med succes på både eksperimenter og simuleringer for at studere forholdet mellem forviklinger og den maksimale stress eller sejhed. Når man overvejer den bærende fraktion af sammenfiltringer i systemet, eksperimenterne og simuleringerne skaleret på samme måde på molekylært niveau. Ved at sammenligne eksperimentet og simuleringer af tynde glasagtige polymerfilm derefter, dataene indikerede en kvantitativ sammenhæng mellem den maksimale belastning og sejhed.

På denne måde, Cynthia Bukowski og kolleger brugte en kombination af eksperimenter og simuleringer for at vise vigtigheden af ​​at bruge bærende forviklinger for at forbedre materialernes sejhed. For at opnå dette, de stemte systematisk ind i sammenfiltringstætheden ved hjælp af bidisperse og kemisk identiske blandinger. Når de tilføjede et kort kædefortyndingsmiddel til blandingerne, polymerens trækprøver viste en reduceret maksimal belastning. Tilsvarende opløsningenes molekylære dynamik viste også et fald i sejheden med tilsat fortyndingsmiddel. De kombinerede eksperimenter og simuleringer gav en forbedret forståelse af polymerer og en ny ramme til at justere de mekaniske egenskaber baseret på deres molekylære sammensætning. Værket har mange praktiske implikationer ud over at give grundlæggende indsigt i oprindelse og sejhed i polymerglas, herunder additive fremstillingsstrategier.

© 2021 Science X Network