Plastic, rubber, en vele andere bruikbare materialen zijn gemaakt van polymeren - lange ketens die in een verknoopt netwerk zijn gerangschikt. Op moleculair niveau, deze polymeernetwerken bevatten structurele gebreken die ze verzwakken.

Een aantal jaar geleden, MIT-onderzoekers waren de eersten die bepaalde soorten van deze defecten meten, genaamd "lussen, " die worden veroorzaakt wanneer een keten in het polymeernetwerk aan zichzelf bindt in plaats van aan een andere keten. Nu, dezelfde onderzoekers hebben een eenvoudige manier gevonden om het aantal lussen in een polymeernetwerk te verminderen en zo materialen gemaakt van polymeren te versterken.

Om dit te behalen, de onderzoekers voegen heel langzaam een ​​van de componenten van het polymeernetwerk toe aan een grote hoeveelheid van de tweede component. Met behulp van deze aanpak, ze waren in staat om het aantal lussen te halveren, in een verscheidenheid aan verschillende polymeernetwerkstructuren. Dit zou een gemakkelijke manier kunnen zijn voor fabrikanten van industrieel bruikbare materialen zoals kunststoffen of gels om hun materialen te versterken.

"Alleen al door te veranderen hoe snel je de ene component aan de andere toevoegt, u kunt de mechanische eigenschappen verbeteren, " zegt Jeremia A. Johnson, de Firmenich Career Development Associate Professor of Chemistry aan het MIT en de senior auteur van het artikel.

MIT-afgestudeerde student Yuwei Gu is de eerste auteur van het artikel, die verschijnt in de Proceedings van de National Academy of Sciences de week van 24 april.

Andere auteurs zijn MIT universitair hoofddocent chemische technologie Bradley Olsen; MIT-afgestudeerde student Ken Kawamoto; voormalige MIT-postdocs Mingjiang Zhong en Mao Chen; Case Western Reserve University-assistent-professor Michael Hore; Case Western Reserve afgestudeerde student Alex Jordan; en voormalig MIT gasthoogleraar en Case Western Reserve Associate Professor LaShanda Korley.

Regellussen

In 2012, De groep van Johnson bedacht de eerste manier om het aantal lussen in een polymeernetwerk te meten en valideerde die resultaten met theoretische voorspellingen van Olsen. De onderzoekers ontdekten dat de lussen ongeveer 9 tot bijna 100 procent van het netwerk kunnen uitmaken, afhankelijk van de concentratie van polymeerketens in het uitgangsmateriaal en andere factoren.

Een paar jaar later, Johnson en Olsen ontwikkelden een manier om te berekenen hoeveel deze lussen een materiaal verzwakken. In hun laatste werk, ze wilden lusvorming verminderen, en om dit te bereiken zonder de samenstelling van de materialen te veranderen.

"Het doel dat we onszelf stelden was om dezelfde set voorlopers te gebruiken voor een materiaal dat men normaal zou gebruiken, en, met exact dezelfde voorlopers onder dezelfde omstandigheden en in dezelfde concentratie, maak een materiaal met minder lussen, ' zegt Johnson.

In deze krant, de onderzoekers concentreerden zich eerst op een type polymeerstructuur dat bekend staat als een sterpolymeernetwerk. Dit materiaal heeft twee verschillende bouwstenen:een ster met vier identieke armen, bekend als "B4, " en een keten die bekend staat als "A2." Elk molecuul van A2 hecht zich aan het uiteinde van een van de B4-armen. tijdens het typische syntheseproces, als alles in één keer gemengd is, sommige van de A2-ketens binden zich uiteindelijk aan twee van de B4-armen, een lus vormen.

De onderzoekers ontdekten dat als ze B4 heel langzaam toevoegen aan een oplossing van A2, elk van de B4-armen zou snel reageren met een enkel molecuul A2, dus er was minder kans voor A2 om lussen te vormen.

Na een paar uur langzaam de helft van de B4-oplossing toe te voegen, ze voegden de tweede helft in één keer toe, en de stervormige subeenheden zijn samengevoegd om een ​​verknoopt netwerk te vormen. Dit materiaal, vonden de onderzoekers, had ongeveer half zoveel loops als hetzelfde materiaal dat met het traditionele syntheseproces werd geproduceerd.

Afhankelijk van het aantal lussen in het originele materiaal, deze "langzaam dan snel"-strategie kan de sterkte van het materiaal met maar liefst 600 procent verbeteren, zegt Johnson.

Betere producten

De onderzoekers probeerden deze techniek ook uit met vier andere soorten polymeernetwerksynthesereacties. Ze waren niet in staat om het aantal lussen voor al die soorten polymeren te meten, maar ze vonden vergelijkbare verbeteringen in de sterkte van de materialen.

Deze benadering kan mogelijk helpen om de sterkte te verbeteren van elk materiaal dat is gemaakt van een gel of een ander verknoopt polymeer, inclusief kunststoffen, membranen voor waterzuivering, lijmen gemaakt van epoxy, of hydrogels zoals contactlenzen.

Johnson's lab werkt nu aan het toepassen van deze strategie op een verscheidenheid aan materialen, inclusief gels die worden gebruikt om cellen te laten groeien voor tissue engineering.