Onderzoekers van Columbia Engineering hebben voor het eerst een nieuwe techniek gedemonstreerd die is geïnspireerd op het parelmoer van oesterschelpen, een composietmateriaal met buitengewone mechanische eigenschappen, inclusief grote kracht en veerkracht. Door de kristallisatiesnelheid te veranderen van een polymeer dat aanvankelijk goed gemengd was met nanodeeltjes, het team was in staat om te bepalen hoe de nanodeeltjes zichzelf assembleren tot structuren op drie zeer verschillende lengteschaalregimes. Deze meerschalige ordening kan het basismateriaal bijna een orde van grootte stijver maken terwijl de gewenste vervormbaarheid en het lichtgewichtgedrag van de polymere materialen behouden blijven. De studie, onder leiding van Sanat Kumar, Bykhovsky hoogleraar chemische technologie, wordt 7 juni online gepubliceerd in ACS Centrale Wetenschap .

"Eigenlijk, we hebben een methode in één stap ontwikkeld om een ​​composietmateriaal te bouwen dat aanzienlijk sterker is dan het oorspronkelijke materiaal, " zegt Kumar, een expert in polymeerdynamica en zelfassemblage. "Onze techniek kan de mechanische en mogelijk andere fysieke eigenschappen van commercieel relevante plastic materialen verbeteren, met toepassingen in auto's, Beschermende coatings, en voedsel/drankverpakkingen, dingen die we dagelijks gebruiken. En, verder vooruit kijken, we kunnen misschien ook interessante elektronische of optische eigenschappen van de nanocomposietmaterialen produceren, mogelijk de fabricage van nieuwe materialen en functionele apparaten mogelijk maken die kunnen worden gebruikt in structurele toepassingen zoals gebouwen, maar met de mogelijkheid om hun gezondheid ter plaatse te controleren."

Ongeveer 75 procent van de commercieel gebruikte polymeren, inclusief polyethyleen dat wordt gebruikt voor verpakkingen en polypropyleen voor flessen, zijn semikristallijn. Deze materialen hebben een lage mechanische sterkte en kunnen daarom niet voor veel geavanceerde toepassingen worden gebruikt, zoals auto-accessoires zoals banden, waaierriemen, bumpers, enz. Onderzoekers weten al tientallen jaren, teruggaand naar het begin van de twintigste eeuw, die variërende dispersie van nanodeeltjes in polymeer, metaal, en keramische matrices kunnen de materiaaleigenschappen drastisch verbeteren. Een goed voorbeeld in de natuur is parelmoer, dat is 95 procent anorganisch aragoniet en 5 procent kristallijn polymeer (chitine); de hiërarchische ordening van nanodeeltjes - een mengsel van geïntercaleerde brosse bloedplaatjes en dunne lagen elastische biopolymeren - verbetert de mechanische eigenschappen aanzienlijk. In aanvulling, parallelle aragonietlagen, bij elkaar gehouden door een nanoschaal (?10 nm dikke) kristallijne biopolymeerlaag, vormen "stenen" die vervolgens worden samengevoegd tot "brick-and-mortar"-superstructuren op micrometerschaal en groter. Deze structuur, bij meerdere lengtematen, verhoogt de taaiheid aanzienlijk.

"Terwijl het bereiken van de spontane assemblage van nanodeeltjes in een hiërarchie van schalen in een polymeergastheer een 'heilige graal' was in de nanowetenschap, tot nu toe is er geen vaste methode om dit doel te bereiken, " zegt Dan Zhao, Kumar's promovendus en eerste auteur van dit artikel. "We hebben deze uitdaging aangepakt door middel van de gecontroleerde, multiscale assemblage van nanodeeltjes door gebruik te maken van de kinetiek van polymeerkristallisatie."

Terwijl onderzoekers die zich richten op polymere nanocomposieten een gemakkelijke controle hebben bereikt over de organisatie van nanodeeltjes in een amorfe polymeermatrix (d.w.z. het polymeer kristalliseert niet), tot op heden is niemand in staat geweest om de assemblage van nanodeeltjes in een kristallijne polymeermatrix af ​​te stemmen. Een verwante benadering was gebaseerd op ice-templating. Met behulp van deze techniek, onderzoekers hebben kleine moleculen (voornamelijk water) gekristalliseerd om colloïde deeltjes te organiseren, maar, vanwege de intrinsieke kinetiek van deze processen, de deeltjes worden normaal gesproken uitgestoten in de korrelgrenzen op microschaal, en dus zijn onderzoekers niet in staat geweest om nanodeeltjes te bestellen over de meerdere schalen die nodig zijn om parelmoer na te bootsen.

Kumars groep, experts in het afstemmen van de structuur en dus de eigenschappen van polymeer nanocomposieten, ontdekt dat, door nanodeeltjes te mengen in een oplossing van polymeren (polyethyleenoxide) en de kristallisatiesnelheid te veranderen door de mate van onderkoeling te variëren (namelijk hoe ver onder het smeltpunt de kristallisatie werd uitgevoerd), ze konden bepalen hoe de nanodeeltjes zichzelf assembleerden in drie verschillende schaalregimes:nano, micro, en macrometer. Elk nanodeeltje werd gelijkmatig omhuld door de polymeren en gelijkmatig verdeeld voordat het kristallisatieproces begon. De nanodeeltjes werden vervolgens samengevoegd tot vellen (10-100 nm) en de vellen tot aggregaten op microschaal (1-10 m) toen het polymeer werd gekristalliseerd.

"Deze gecontroleerde zelfassemblage is belangrijk omdat het de stijfheid van de materialen verbetert terwijl ze taai blijven, ", zegt Kumar. "En de materialen behouden de lage dichtheid van het zuivere semikristallijne polymeer, zodat we het gewicht van een structurele component laag kunnen houden, een eigenschap die van cruciaal belang is voor toepassingen zoals auto's en vliegtuigen, waar gewicht een kritische overweging is. Met onze veelzijdige aanpak we kunnen het deeltje of het polymeer variëren om een ​​bepaald materiaalgedrag of apparaatprestaties te bereiken."

Het team van Kumar is van plan om de fundamenten te onderzoeken waardoor deeltjes naar bepaalde delen van het systeem kunnen bewegen, en om methoden te ontwikkelen om de kinetiek van deeltjesordening te versnellen, wat momenteel een paar dagen duurt. Vervolgens zijn ze van plan andere toepassingsgestuurde polymeer-/deeltjessystemen te verkennen, zoals polylactide/nanodeeltjessystemen die kunnen worden ontwikkeld als biologisch afbreekbare en duurzame polymere nanocomposieten van de volgende generatie, en polyethyleen/silica, die wordt gebruikt in autobumpers, gebouwen, en bruggen.

"Het potentieel om structurele materialen te vervangen door deze nieuwe composieten kan een diepgaand effect hebben op duurzame materialen en de infrastructuur van onze natie, ' zegt Kumar.