Polymer science team designer ny nanoteknisk teknik til billigere materialereparation

(PhysOrg.com)-I den super-lille verden af ​​nanostrukturer, et team af polymerforskere og ingeniører ved University of Massachusetts Amherst har opdaget, hvordan man foretager nanoskala reparationer på en beskadiget overflade svarende til at spot-fylde en ridset bilskærm frem for at overfladebehandle hele delen. Værket bygger på en teoretisk forudsigelse af kemisk ingeniør og medforfatter Anna Balazs ved University of Pittsburgh.

Deres opdagelse rapporteres i denne uge i det aktuelle nummer af Naturnanoteknologi . Den nye teknik har mange praktiske konsekvenser, især at reparation af en beskadiget overflade med denne metode ville kræve betydeligt mindre mængder materiale, undgå behovet for at belægge hele overflader, når kun en lille brøkdel er revnet, siger teamleder og UMass Amherst -polymerforsker Todd Emrick.

"Dette er især vigtigt, fordi selv små brud derefter kan føre til strukturelle fejl, men vores teknik giver en stærk og effektiv reparation. Behovet for hurtig, effektive belægnings- og reparationsmekanismer er i dag omfattende i alt fra flyvinger til mikroelektroniske materialer til biologiske implantatudstyr, "tilføjer han.

På nanoskala, beskadigede områder besidder typisk egenskaber, der er ganske forskellige fra deres ubeskadigede omgivende overflade, herunder forskellig topografi, befugtningskarakteristika, ruhed og endda kemisk funktionalitet, Emrick forklarer. Han tilføjer, "Anna Balazs forudsagde, ved hjælp af computersimulering, at hvis nanopartikler blev holdt i en bestemt type mikrokapsel, de ville sonde en overflade og frigive nanopartikler til bestemte bestemte områder af overfladen, "muliggør effektivt en spotreparation.

Denne vision om kapsler, der undersøger og frigiver deres indhold på en smart, udløst mode, kendt som "reparation-og-gå, "er karakteristisk for biologisk proces, såsom i hvide blodlegemer, Tilføjer Emrick.

Han siger, at det eksperimentelle arbejde med at understøtte konceptet krævede indsigt i kemien, fysik og mekaniske aspekter af indkapsling af materialer og kontrolleret frigivelse, og blev opnået ved samarbejde mellem tre polymermaterialelaboratorier på UMass Amherst, ledet af Alfred Crosby, Thomas Russell og ham selv.

Forskerne viser, hvordan anvendelse af et polymert overfladeaktivt stof stabiliserer oliedråber i vand (i emulsionsdråber eller kapsler), indkapsling af nanopartikler effektivt, men på en måde, hvor de kan frigives, når det ønskes, da kapselvæggen er meget tynd.

"Vi fandt derefter ud af, at de nanopartikelholdige kapsler ruller eller glider over beskadigede substrater, og meget selektivt deponere deres nanopartikelindhold i de beskadigede (revnede) områder. Fordi de nanopartikler, vi bruger, er fluorescerende, deres lokalisering i de revnede områder er klart tydelig, ligesom selektiviteten af ​​deres lokalisering. "

Ved hjælp af hurtig og selektiv aflejring af sensormateriale i beskadigede områder, deres innovative arbejde giver også en præcis metode til påvisning af beskadigede underlag, understreger han. Endelig, de nye indkapslingsteknikker tillader levering af hydrofobe genstande i et vandbaseret system, yderligere udelukker behovet for organiske opløsningsmidler i industrielle processer, der er ufordelagtige ud fra et miljømæssigt synspunkt.

Emrick siger, "Efter at have realiseret konceptet eksperimentelt, ser vi fremad, håber vi nu at demonstrere genopretning af mekaniske egenskaber af belagte objekter ved at justere sammensætningen af ​​de nanopartikler, der leveres. "