Elastisk polymer, der er både stiv og hård, løser mangeårige problemer

Polymer science har muliggjort gummidæk, Teflon og Kevlar, vandflasker i plast, nylonjakker blandt mange andre allestedsnærværende funktioner i dagligdagen. Elastiske polymerer, kendt som elastomerer, kan strækkes og frigives gentagne gange og bruges i applikationer som handsker og hjerteklapper, hvor de skal holde længe uden at rive. Men en gåde har længe stubbet polymerforskere:Elastiske polymerer kan være stive, eller de kan være hårde, men de kan ikke være begge dele.

Denne stivhed-sejhedskonflikt er en udfordring for forskere, der udvikler polymerer, der kan bruges i applikationer, herunder vævsregenerering, bioklæbemidler, bioprinting, bærbar elektronik, og bløde robotter.

I et papir, der blev offentliggjort i dag i Videnskab , forskere fra Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) har løst den mangeårige konflikt og udviklet en elastomer, der er både stiv og hård.

"Ud over at udvikle polymerer til nye applikationer, forskere står over for en presserende udfordring:Plastforurening, "sagde Zhigang Suo, Allen E. og Marilyn M. Puckett, professor i mekanik og materialer, seniorforfatteren af ​​undersøgelsen. "Udviklingen af ​​bionedbrydelige polymerer har igen bragt os tilbage til grundlæggende spørgsmål - hvorfor er nogle polymerer hårde, men andre sprøde? Hvordan får vi polymerer til at modstå rive under gentagen strækning? "

Polymerkæder fremstilles ved at forbinde monomer byggesten. For at gøre et materiale elastisk, polymerkæderne tværbindes med kovalente bindinger. Jo flere tværbindinger, jo kortere polymerkæderne og jo stivere materiale.

"Når dine polymerkæder bliver kortere, den energi, du kan lagre i materialet, bliver mindre, og materialet bliver sprødt, "sagde Junsoo Kim, en kandidatstuderende på SEAS og medforfatter af papiret. "Hvis du kun har et par tværbindinger, kæderne er længere, og materialet er hårdt, men det er for hårdt til at være nyttigt. "

At udvikle en polymer, der er både stiv og hård, forskerne så til fysisk, snarere end kemiske bindinger til at forbinde polymerkæderne. Disse fysiske bindinger, kaldes forviklinger, har været kendt på området næsten lige så længe som polymervidenskab har eksisteret, men man tror, ​​at de kun påvirker stivhed, ikke sejhed.

Men SEAS -forskergruppen fandt ud af, at med nok forviklinger, en polymer kunne blive hård uden at gå på kompromis med stivheden. For at skabe stærkt sammenfiltrede polymerer, forskerne brugte en koncentreret monomer -forløberopløsning med 10 gange mindre vand end andre polymeropskrifter.

"Ved at trække alle monomerer i denne opløsning med mindre vand og derefter polymerisere det, vi tvang dem til at blive viklet ind, som sammenfiltrede garnsnore, "sagde Guogao Zhang, en postdoktor ved SEAS og medforfatter af papiret. "Ligesom med strikkede stoffer, polymererne bevarer deres forbindelse med hinanden ved at være fysisk sammenflettet. "

Med hundredvis af disse forviklinger, kun en håndfuld kemiske tværbindinger er påkrævet for at holde polymeren stabil.

"Som elastomerer, disse polymerer har høj sejhed, styrke, og modstand mod træthed, "sagde Meixuanzi Shi, en gæsteforsker ved SEAS og medforfatter af papiret. "Når polymererne er nedsænket i vand for at blive hydrogeler, de har lav friktion, og høj slidstyrke. "

Den høje trætte modstand og høje slidstyrke øger polymerernes holdbarhed og levetid.

"Vores forskning viser, at ved at bruge sammenfiltringer frem for tværbindinger, vi kunne reducere forbruget af noget plast ved at øge materialernes holdbarhed, "sagde Zhang.

"Vi håber, at denne nye forståelse af polymerstruktur vil udvide mulighederne for applikationer og bane vejen for mere bæredygtig, langtidsholdbare polymermaterialer med disse usædvanlige mekaniske egenskaber, "sagde Kim.