Brug af molekylære simuleringer til at studere selvsamlende associerende polymerer

Når plastmaterialer behandles eller genanvendes, kan deres grundlæggende egenskaber nedbrydes på grund af skader forårsaget af deformation. Genbrugsprocesser har en tendens til at bryde molekylære bindinger inde i materialerne, hvilket gør dem svagere og mindre holdbare. En måde, hvorpå plast kan gøres mere bæredygtigt, er ved at bruge selvsamlede bløde materialer, der kan selvhelende efter skader.

Selvsamlede materialer organiserer spontant og kan genskabe molekylære forbindelser efter at være blevet beskadiget, hvilket gør det muligt for materialerne at genvinde deres styrke over tid. Mange forskere udforsker anvendelser af selvhelbredende materialer, hvor plastkomponenter er svære at udskifte eller reparere, såsom nanoteknologi inde i computere eller biomedicinske materialer inde i menneskekroppe. Forskere har dog ikke en grundig forståelse af deres adfærd på molekylær skala.

Thomas O'Connor, en assisterende professor i materialevidenskab og teknik, arbejder på at ændre det. Han og hans team af samarbejdspartnere bruger molekylære simuleringer til at studere en type selvsamlende materialer kaldet associerende polymerer. Disse polymerer er lavet af lange molekylære kæder, der indeholder klæbrige grupper langs deres længde.

De klæbrige grupper tiltrækkes af hinanden og samler sig for at danne klynger, der forbinder forskellige kæder sammen til et netværk, der kan ligne en skål med molekylære nudler. Når polymererne beskadiges af deformation, kan de klæbrige klynger omdannes og hele materialet ved at danne et molekylært ar. Klæbende klynger kan danne stærkere ar, men hvis de klæbrige vekselvirkninger bliver for stærke, vil der dannes meget store klynger, og polymeren bliver for stiv til at manipulere i fremstillingen.

For at forstå, hvordan associerende polymerer opfører sig, når de strækkes, simulerede O'Connor adfærden af ​​polymerkæder under forlængelsesdeformation. Han fandt ud af, at når han strakte netværkene, reagerede klæbrige klynger inde i materialet ikke på en ensartet måde.

De største og stærkeste klynger havde en tendens til at bryde op og lade kæder flyde som en væske, mens andre svagere klynger ikke knækkede og forhindrede kæder i at blive forlænget. Denne heterogene respons - forskellig molekylær adfærd fra den samme stimulus - er spændende for materialeteoretikere som O'Connor, fordi det hjælper med at forklare, hvorfor disse materialer er så uforudsigelige under fremstilling.

"Typisk er den måde, du skriver en teori for et materiale på, at spørge, 'hvad er polymerkædernes gennemsnitlige reaktion på det, jeg laver?'" forklarede O'Connor. "Men med dette netværk sker der to adskilte adfærd. Nogle kæder er strakte ud, og nogle kæder er kollapset. Gennemsnittet ville være et sted i midten og vil heller ikke fange."

Omvendt, da O'Connor fremskyndede simuleringen for at strække polymerkæderne hurtigere, fandt han ud af, at jo hurtigere kæderne blev strakt, jo mere ens opførte de sig alle.

Ved høje hastigheder brød de klynger, der fungerede som permanente forbindelser, fra hinanden og dannede mange mindre klynger med lignende egenskaber som de mindre klynger, der allerede eksisterede. "Dette viste os, at alt håb ikke er tabt for at arbejde med, bearbejde og en dag genbruge selvsamlede materialer," uddybede O'Connor. "Mens disse systemer har en ny og rodet måde at opføre sig på, følger dette rodet nogle regler, fordi måden systemet går i stykker på skaber en slags selvorganisering. Jeg ser frem til at udforske, hvad disse netværk vil gøre, når vi kan kontrollere mere omhyggeligt. dem."

Ved hjælp af simuleringer kan O'Connors team præcist kontrollere størrelsen og klæbrigheden af ​​klyngerne og kan evaluere, hvordan mere omhyggeligt udformede associerende netværk vil reagere på forlængelsesflow. Denne forskning offentliggjort i Physical Review X er grundlaget for fremtiden for forarbejdning af selvsamlede materialer.

Forbedring af den elektromekaniske opførsel af en fleksibel polymer