Molekylært design af polymernetværk til at kontrollere lyddæmpning

Verden er fyldt med utallige lyde og vibrationer - de blide toner fra et klaver, der driver ned ad gangen, den afslappende spinden fra en kat, der ligger på dit bryst, den irriterende brummen fra kontorlysene. Forestil dig at være i stand til selektivt at tune ud støj af en bestemt frekvens.

Forskere ved University of Illinois Urbana-Champaign har syntetiseret polymernetværk med to forskellige arkitekturer og tværbindingspunkter, der er i stand til dynamisk at udveksle polymerstrenge for at forstå, hvordan netværksforbindelsen og bindingsudvekslingsmekanismerne styrer netværkets overordnede dæmpningsadfærd. Inkorporeringen af ​​dynamiske bindinger i polymernetværket demonstrerer fremragende dæmpning af lyd og vibrationer ved veldefinerede frekvenser.

"Denne forskning handler om at bruge polymerer til at absorbere forskellige lyde og vibrationer, der kan forekomme ved forskellige frekvenser," siger materialevidenskab og ingeniørprofessor Chris Evans, der ledede dette arbejde. "Vi vil gerne vide, hvordan man designer polymerens molekylære kemi på en sådan måde, at vi kontrollerer, hvilken slags energiabsorberende evne den har."

Resultaterne af denne nye forskning blev for nylig offentliggjort i Nature Communications .

At være i stand til at skræddersy polymerer til at absorbere specifikke frekvenser kan være gavnligt til brug i ørepropper og hjelme til mennesker i nærheden af ​​eksplosioner eller eksplosioner og i scenarier med gentagen eksponering for en bestemt støjfrekvens, som f.eks. en helikopterpilot, hvor en sådan langtidseksponering kan føre til høreproblemer.

Polymerer er langkædede molekyler sammensat af mange gentagne enheder. Nogle polymerer er ikke helt lineære og har grene, som træer; og andre polymerer er stærkt tværbundne, hvor individuelle polymerkæder er forbundet med kovalente bindinger til andre kæder, som et net. Tværbindingspunktet er en binding, der forbinder en polymerkæde med en anden, og det er her bindinger kan udveksles.

Dynamiske bindinger inden for et polymernetværk gør det muligt for det at omarrangere sin struktur som reaktion på en ændring i miljøet (høj temperatur, pH, eksponering for UV-lys osv.). Udskiftning af nogle få kovalente bindinger i tværbundne polymerstrukturer med dynamiske bindinger kan forbedre polymerens egenskaber, såsom modulet - materialets stivhed - og viskositeten - hvor let materialet flyder. Dynamiske bindinger giver materialer med unikke egenskaber såsom selvhelbredende, superstrækbarhed, klæbeegenskaber og materialesejhed på grund af modifikationen af ​​de viskoelastiske egenskaber.

"Det vigtigste fremskridt her er, at vi bruger dynamiske kovalente bindinger," forklarer Evans. "De er kemiske bindinger, men de kan udveksles med hinanden (den dynamiske del), og når der bruges to forskellige kemier; de kan udveksles på meget forskellige tidsskalaer (den ortogonale del). Vi bruger den proces til at prøve at kontrollere, hvad frekvenser af lyd og vibrationer, vi absorberer."

Inkorporering af ortogonale bindinger, hvor hurtige bindinger kun kan udveksles med andre hurtige bindinger, og langsomme bindinger kun kan udveksles med andre langsomme bindinger, genererer flere og godt adskilte afslapningstilstande, hvilket giver netværket fremragende dæmpning og forbedrede mekaniske egenskaber, såsom sejhed.

Holdet lavede en række polymerer, der havde kontrollerede typer af arkitekturer og rygrad, og de så på den måde, polymerkæderne er forbundet. Evans siger, at det faktisk gør en stor forskel, hvordan polymerkæderne er forbundet, for at få energispredningsprocesserne til meget specifikke tidsskalaer, der ville svare til meget specifikke lydbølger eller vibrationer. Hvis kæderne kun er forbundet i enderne, er dette ikke så effektivt som at blive forbundet med jævne mellemrum langs kædens rygrad.

En af de vigtigste begrænsninger med de materialer, der bruges i denne forskning, er imidlertid, at de i sidste ende flyder. For eksempel vil gummibånd bevare deres form, men når disse dynamiske bindinger tilføjes, vil de altid flyde til sidst, som fjollet kit. Dette er fint for f.eks. en soldaterhjelm, hvor materialet er indesluttet i hjelmens skal, men ikke så meget for en øreprop. Evans siger, at hans gruppe arbejder på måder at få polymeren til at være mere et selvstændigt materiale, og i fremtiden vil de gerne inkorporere mere dynamiske bindinger, så polymeren ikke kun er skræddersyet til en bestemt frekvens, men for et meget bredere frekvensområde.

Chris Evans er også tilknyttet Materials Research Laboratory og Beckman Institute for Advanced Science and Technology ved UIUC.

Andre bidragydere til dette arbejde omfatter Sirui Ge (afdelingen for materialevidenskab og -teknik og Materials Research Laboratory ved UIUC) og Yu-Hsuan Tsao (afdelingen for materialevidenskab og -teknik og Materials Research Laboratory ved UIUC).

Flere oplysninger: Sirui Ge et al., Polymerarkitektur dikterer flere afslapningsprocesser i bløde netværk med to ortogonale dynamiske bindinger, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43073-w

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af University of Illinois Grainger College of Engineering