International indsats for at afdække egenskaber ved polymer nanopartikler

Fra fotonik til lægemidler, materialer fremstillet med polymer nanopartikler lover for fremtidens produkter. Imidlertid, der er stadig huller i at forstå egenskaberne af disse små plastiklignende partikler.

Nu, Hojin Kim, en kandidatstuderende i kemisk og biomolekylær ingeniørvidenskab ved University of Delaware, sammen med et team af samarbejdende forskere ved Max Planck Institute for Polymer Research i Tyskland, Princeton University og University of Trento, har afsløret ny indsigt om polymer nanopartikler. Holdets resultater, herunder egenskaber såsom overflademobilitet, glasovergangstemperatur og elasticitetsmodul, blev udgivet i Naturkommunikation .

Under ledelse af MPI prof. George Fytas, holdet brugte Brillouin lysspektroskopi, en teknik, der fortæller om mikroskopiske nanopartiklers molekylære egenskaber ved at undersøge, hvordan de vibrerer.

"Vi analyserede vibrationen mellem hver nanopartikel for at forstå, hvordan deres mekaniske egenskaber ændrer sig ved forskellige temperaturer, " sagde Kim. "Vi spurgte, 'Hvad indikerer en vibration ved forskellige temperaturer? Hvad betyder det fysisk?' "

Karakteristikaene for polymer-nanopartikler adskiller sig fra dem for større partikler af samme materiale. "Deres nanostruktur og lille størrelse giver forskellige mekaniske egenskaber, " sagde Kim. "Det er virkelig vigtigt at forstå den termiske opførsel af nanopartikler for at forbedre ydeevnen af ​​et materiale."

Tag polystyren, et materiale, der almindeligvis anvendes i nanoteknologi. Større partikler af dette materiale bruges i plastikflasker, kopper og emballagematerialer.

"Polymernanopartikler kan være mere fleksible eller svagere ved glasovergangstemperaturen, hvor de blødgøres fra en stiv tekstur til en blød, og det aftager, når partikelstørrelsen falder, " sagde Kim. Det er til dels fordi polymermobilitet ved små partikeloverflader nemt kan aktiveres. Det er vigtigt at vide, hvornår og hvorfor denne overgang sker, da nogle produkter, såsom filtermembraner, skal forblive stærk, når de udsættes for en række forskellige forhold.

For eksempel, en engangsplastikkop lavet med polymeren polystyren kan holde sig i kogende vand - men den kop har ikke nanopartikler. Forskerholdet fandt, at polystyrennanopartikler begynder at opleve den termiske overgang ved 343 Kelvin (158 grader F), kendt som blødgøringstemperaturen, under en glasovergangstemperatur på 372 K (210 F) af nanopartiklerne, lige under temperaturen af ​​kogende vand. Når den opvarmes til dette punkt, nanopartiklerne vibrerer ikke – de står helt stille.

Dette var ikke set før, og holdet fandt beviser for, at denne temperatur kan aktivere et meget mobilt overfladelag i nanopartiklerne, sagde Kim. Når partikler opvarmes mellem deres blødgøringstemperatur og glasovergangstemperatur, partiklerne interagerede med hinanden mere og mere. Andre forskergrupper har tidligere haft mistanke om, at glasovergangstemperaturen falder med fald i partikelstørrelsen på grund af forskelle i partikelmobilitet, men de kunne ikke observere det direkte.

"Ved brug af forskellige metoder og instrumenter, vi analyserede vores data ved forskellige temperaturer og verificerede faktisk, at der er noget på polymernanopartikeloverfladen, der er mere mobilt sammenlignet med dens kerne, " han sagde.

Ved at studere interaktioner mellem nanopartiklerne, holdet afslørede også deres elasticitetsmodul, eller stivhed.

Næste, Kim planlægger at bruge disse oplysninger til at bygge en nanopartikelfilm, der kan styre udbredelsen af ​​lydbølger.

Erik Furst, professor og formand for Institut for Kemi- og Biomolekylær Teknik ved UD, er også en tilsvarende forfatter på papiret.

"Hojin tog teten på dette projekt og opnåede resultater ud over, hvad jeg kunne have forudset, " sagde Furst. "Han eksemplificerer ekspertise inden for doktorgradsingeniørforskning i Delaware, og jeg kan ikke vente med at se, hvad han gør næste gang."