Ali Gooneie simuleert op zijn computer wat de wereld in de kern bij elkaar houdt:atomen, moleculen, moleculaire ketens en bundels - dan klonten en vezels, die daaruit voortkomen. Met zijn berekeningen de Empa-onderzoeker kan ook eigenschappen verklaren die we met onze vingertoppen kunnen voelen:gladde en ruwe oppervlakken, flexibele en stijve materialen, warmtegeleidende stoffen en isolatoren.

Veel van deze eigenschappen vinden hun oorsprong diep in de materialen. Metaal of hout, kunststof of keramiek, steen of gel - al deze zijn al vele malen eerder onderzocht. Echter, hoe zit het met composietmaterialen? Hoe komen de eigenschappen van dergelijke materialen tot stand en hoe kunnen ze op een gewenste manier worden gewijzigd? Een vervelende trial-and-error-aanpak in het laboratorium is niet langer voldoende in de snelle onderzoeksomgeving van vandaag. Vandaag de dag, je hebt computerondersteunde voorspellingen nodig om snel te kunnen beslissen welk experimenteel pad je moet nemen.

Gooneie is een van de vele computersimulatie-experts die in verschillende onderzoekslaboratoria bij Empa werken. Hij studeerde polymeertechnologie aan de Amirkabir University of Technology in Teheran en promoveerde aan de University of Leoben in Oostenrijk. "Hoewel ik me na mijn ingenieursdiploma steeds dieper in de wereld van de natuurkundige formules verdiepte, Ik verloor nooit het contact met de echte wereld, "zegt hij. "Voor mij, simulaties zijn geen doel op zich. Ik gebruik ze om de effecten die we in materialen waarnemen te verklaren."

Hoe voelt een haar? En bovenal, waarom?

Om te begrijpen wat Gooneie precies berekent, het is de moeite waard om een ​​biologisch polymeer composietvezelmateriaal te overwegen dat we allemaal heel goed kennen:haar. Vers gewassen, het voelt zacht en flexibel aan. Als het droog is, het knettert als elektriciteit; en als het nat is, het piept als rubber. We kunnen het knippen, eruit halen, zing het, vergunning, bleek het en föhn het droog. Maar waar komen al deze eigenschappen vandaan?

Haar bestaat uit individuele aminozuren, die zich combineren om langketenige eiwitten te vormen die bekend staan ​​​​als keratinen. Deze lange keratinemoleculen binden zich om draden en vezelbundels te vormen. Een complex van celmembranen bindt deze vezelbundels aan elkaar. Deze vezelbundels zijn omhuld door verschillende lagen dode hoornschubben die verspringend op elkaar liggen als de schubben van een dennenappel. Daarom, de eigenschappen van haar zouden onverklaarbaar zijn als alleen de chemische basisbouwstenen - de aminozuren - werden overwogen. Het begrijpen van de overkoepelende structuur is cruciaal.

Dus laten we, in onze gedachten, zoom uit van de chemische structuur en zie de moleculen alleen als bolletjes, die zijn verbonden als op een parelketting. Nu wordt het beeld niet langer bepaald door chemie, maar door de botsingen en wrijvingseffecten van deze parelkettingen. Experts gebruiken grove wiskundige modellen voor hun berekeningen.

Eventueel, we komen aan in een dimensie die we kunnen zien en voelen:het millimeterbereik, waar haar als een homogeen materiaal wordt beschouwd, is de fijne structuur niet langer belangrijk. De macroscopische eigenschappen van het materiaal kunnen worden beschreven en voorspeld met behulp van de "eindige elementenmethode".

Gedetailleerd begrip van vezels

Tot een paar jaar geleden, er was geen dergelijke multidimensionale benadering in de sector polymeercomposieten. Met zijn onderzoek aan de Universiteit van Leoben, Ali Gooneie had deze benadering verfijnd, waardoor hij perfect bij Empa paste. De simulatie-expert verhuisde naar St. Gallen en doet nu onderzoek in Empa's Advance Fibers-lab onder Manfred Heuberger.

Een van de onderzoeksdoelen van Heuberger is het verfijnen van synthetische vezels - een economisch belangrijk onderwerp:tegenwoordig ongeveer twee derde van alle vezels die wereldwijd worden gebruikt, wordt synthetisch geproduceerd. Een synthetische vezel is aanzienlijk meer dan een fijn plastic filament. Ze worden pas 'vezels' als hun moleculaire structuur, bestaande uit kleine kristallen en uitgelijnde moleculen, is afgestemd op de gewenste eigenschappen, zoals flexibiliteit of stevigheid. Alleen als de vezelstructuur van de nanometer tot de micrometerschaal bekend is, kunnen de eigenschappen van het product tijdens de verwerking specifiek worden ingesteld.

Geleidende polymeercomposieten

Gooneie heeft al meerdere projecten begeleid. Bijvoorbeeld, één was gericht op het inbedden van koolstofnanobuisjes (CNT) in een polyamidematrix. Bij de juiste dosering CNT's kunnen een synthetisch materiaal elektrische geleidbaarheid geven, wat dit materiaal interessant maakt voor de fotovoltaïsche industrie, bijvoorbeeld. Maar wat is de perfecte hoeveelheid nanobuisjes om in te mengen? Moeten de buizen dezelfde lengte hebben of zou een combinatie van lengtes betere resultaten opleveren?

Tot dusver, het is gebruikelijk voor samengestelde onderzoekers om het probleem te verfijnen en op te lossen met een reeks experimenten. Ali Goonie, echter, pakt het probleem vanuit een theoretische invalshoek aan en gebruikt zijn multidimensionale simulatiemethoden. De oplossing die hij bedacht:een mengsel van CNT met verschillende lengtes levert het snelst elektrische geleidbaarheid op. uiteindelijk, hij slaagde erin de weg te voorspellen, waarin de nanobuisjes in het polymeer zijn gerangschikt, ongeacht de snelheid, waarmee de verwerking plaatsvindt.

Tegelijkertijd werden de berekeningen uitgevoerd, de onderzoekers begonnen hun eerste experiment:in een hete extruder bij 245 graden Celsius, ze mengden nanobuisjes in verschillende verhoudingen in de polyamidematrix. Het bleek dat een bijmenging van 0,15 gew.% de beste resultaten opleverde in termen van elektrische geleidbaarheid. Hand in hand met laboratoriumexperimenten, toegepaste wiskunde bood een elegante oplossing voor het probleem.

Zachte PET-recycling

Ook in recyclingprojecten kunnen simulatieberekeningen veel opleveren. De Zwitsers verzamelden bijna 48, 000 ton PET-flessen in 2018. Hiervan, industrie kreeg 35, 000 ton gerecycled PET. Het synthetische materiaal is zeer gewild omdat het mechanisch veerkrachtig is, lucht- en gasdicht, en is bestand tegen hoge temperaturen. Echter, PET kan niet onbeperkt worden hergebruikt. Als het materiaal te vaak wordt omgesmolten, chemische reacties vinden plaats in het materiaal:de moleculen oxideren, verknopen en vormen klonten, en het materiaal wordt stroperig en doorschijnend.

Een additief genaamd DOPO-PEPA zou dit allemaal kunnen veranderen. In feite, het materiaal is een vlamvertrager ontwikkeld door Empa-onderzoeker Sabyasachi Gaan, ook in het Advance Fibers-lab. Nu willen de onderzoekers onderzoeken of het ook kan dienen als smeermiddel en conserveermiddel voor PET-recycling. Gooneie begon met in te schatten of DOPO-PEPA überhaupt bij de beoogde temperatuur in PET kan worden gemengd. Toen berekende hij hoe de parelketting van PET-moleculen in de smelt zou bewegen, hoe de DOPO-PEPA-moleculen ertussen zouden knijpen, en wanneer een evenwicht in het mengsel zou verschijnen.

Het resultaat:een bijmenging van enkele procenten DOPO-PEPA is al voldoende om gerecycled PET goed te laten stromen. Dankzij hogere wiskunde bij Empa, recycling zal straks veel vlotter verlopen.