Onderzoekers van het College of Science en College of Engineering hebben ontdekt dat een zeer sterk polymeer genaamd "PBDT" een zeldzame dubbele helixstructuur heeft. opent mogelijkheden voor gebruik in een verscheidenheid aan toepassingen.

Deze ontdekking, onlangs gepubliceerd in Natuurcommunicatie , komt als een uitbreiding van de ontwikkeling van een polymeer-ion-gel, die belooft beter te presteren dan conventionele ontvlambare vloeibare batterij-elektrolyten. Nutsvoorzieningen, uitgerust met bewijs van de dubbele helixstructuur, het potentieel van dit hoogwaardige materiaal reikt veel verder dan batterijen.

"Dit polymeer bestaat al 30 jaar, en niemand had door dat het een dubbele helix is, " zei universitair hoofddocent chemie Lou Madsen, die dit onderzoek leidde. "Dubbele helices in synthetische systemen zijn in wezen ongehoord."

Madsen leidde een internationale samenwerking, waaronder Virginia Tech professoren Rui Qiao (werktuigbouwkunde) en Robert Moore (chemie), evenals Theo Dingemans aan de Universiteit van North Carolina in Chapel Hill en Bernd Ensing aan de Universiteit van Amsterdam in Nederland. Alle drie de Virginia Tech-hoogleraren zijn verbonden aan het Macromolecules Innovation Institute.

Stijfheid kan nieuwe composieten helpen

Composieten zijn technische materialen die meerdere componenten verbinden om een ​​nieuwe reeks verbeterde eigenschappen te creëren.

Banden en moderne vliegtuigrompen zijn voorbeelden van composieten. Ze hebben een kernmateriaal nodig, zoals rubber in het bandenvoorbeeld, te mengen met andere materialen, zoals versterkende vezelvullers, voor extra kracht.

Madsen en zijn team hadden in 2016 al aangetoond dat PBDT zich kan vermengen met vloeibare ionen om een ​​vast batterij-elektrolyt te creëren.

"Voordat we zeker waren van deze dubbele helix, we ontdekten dat PBDT zich kan vermengen met vloeibare ionen en deze elektrolyt kan maken die een zeer goede geleidbaarheid heeft en ook mechanisch stijf is, " zei Madsen. "We hebben iets gemaakt met PBDT, maar we wilden weten waarom het zo goed werkt. We hadden bewijs dat het een dubbele helix was, maar hadden de meeste kenmerken niet gewaardeerd."

Dubbele helixstructuren, zoals DNA, zijn bekend in de natuur, en ze hebben een hoge buigstijfheid. DNA heeft een diameter van ongeveer 2,5 nanometer en is stijf tot ongeveer 50 nanometer lang, waar het begint te buigen. Dat creëert een "stijfheidsverhouding" van ongeveer 20 op 1, vergelijkbaar met een wortelstok.

In vergelijking, PBDT heeft een stijfheidsverhouding van 1, 000 tot 1, waardoor het een van de stijfste moleculen is die tot nu toe zijn ontdekt.

De ultieme stijfheid van het polymeer betekent dat er slechts een fractie van nodig is om vergelijkbare prestaties te bereiken als conventionele versterkende vulstoffen. Verder, het proces om het te maken is extreem goedkoop en gemakkelijk.

"Als je conventionele vulstoffen in een composiet gebruikt, je zou 10 procent kunnen gebruiken om de eigenschappen te krijgen die je wilt, " zei Madsen. "Maar PBDT heeft deze lange stijfheidslengte en een kleine diameter. Dit betekent dat je misschien maar 1 of 2 procent hoeft in te zetten om een ​​materiaal te krijgen dat sterk verbeterd is."

Van röntgenfoto's en DNA tot computationele modellering

Terug in 2014, Madsen en zijn Ph.D. student Ying Wang had gedacht dat het polymeer een dubbele helix was, maar had geen stevig bewijs. Ze begonnen toen met röntgenonderzoek naar PBDT, vergelijkbaar met de onderzoeken die Rosalind Franklin in het begin van de jaren vijftig op DNA uitvoerde en die leidden tot de ontdekking van de dubbele DNA-helix. Zowaar, de PBDT-röntgenfoto was vergelijkbaar met de DNA-röntgenfoto van Franklin. Ze gebruikten verder een techniek die vergelijkbaar is met MRI om hun bewijs te versterken.

Madsen wendde zich vervolgens tot Ensing in Nederland en vervolgens tot Qiao van Virginia Tech voor hulp bij het begrijpen van het polymeer met rekenmodellen.

Qiao zei dat hij aanvankelijk niet dacht dat de simulatie zou werken.

"Een simulatie van een zelfassemblage om een ​​dubbele spiraalvormige structuur te vormen - ik had er nog nooit van gehoord, behalve dat mensen het hadden gedaan voor DNA, " zei Qiao. "Maar voor dit soort simulatie, het is erg moeilijk. Mijn leerling probeerde het toch en wonder boven wonder lukte het. We hebben verschillende omstandigheden geprobeerd, verschillende manieren om simulaties uit te voeren, maar de resultaten waren robuust, wat ons enig vertrouwen gaf dat het een echte dubbele helix is."

De bevestiging van de dubbele helixstructuur opent mogelijkheden voor de potentiële toepassing van PBDT buiten batterijelektrolyten, zoals lichtgewicht ruimtevaartmaterialen.

"De toepassing hiervan wordt echt beperkt door onze verbeeldingskracht, " zei Qiao. "Nu hebben we een nieuw soort Lego-stuk. Naarmate meer mensen over dit materiaal horen, ze zullen hun eigen manier bedenken om het te gebruiken. Wat komt er echt uit, we kunnen ons vandaag niet voorstellen."