Een microscopisch polymeer in de vorm van een gewoon keukengerei zou de industrie uitstekende controle over coatings kunnen geven.

Bottlebrush-copolymeren zijn al lang een onderwerp van studie voor Rafael Verduzco, een chemisch en biomoleculair ingenieur aan de Brown School of Engineering van Rice University. Nutsvoorzieningen, hij en zijn medewerkers hebben modellen en methoden ontwikkeld om oppervlaktecoatings te verfijnen om ze te maken, bijvoorbeeld, meer waterdicht of meer geleidend.

De onderzoekers ontdekten dat flessenborstels gemengd met lineaire polymeren de neiging hebben om naar de boven- en onderkant van een dunne film te migreren wanneer deze opdroogt. Deze films, als coatings, zijn alomtegenwoordig in producten, bijvoorbeeld als waterdichte lagen om te voorkomen dat metalen roesten of stoffen vlekken.

Wanneer de migratie plaatsvindt, de lineaire polymeren houden het midden vast terwijl de flessenborstels naar de lucht erboven of het substraat eronder worden getrokken. Dit, Verduzco zei, ontkoppelt effectief de eigenschappen van de bulkcoating van de blootgestelde oppervlakken.

Computermodellen en experimenten toonden aan dat variaties in de flessenborstel zelf kunnen worden gebruikt om de oppervlakte-eigenschappen te regelen.

Flessenborstelpolymeren blijven een uitdaging om in bulk te maken, Verduzco zei, maar hun potentiële gebruik is enorm. Toepassingen kunnen onder meer medicijnafgifte zijn via gefunctionaliseerde flessenborstels die micellen vormen, smeermiddelen, zachte elastomeren, aangroeiwerende filters en oppervlakken die zichzelf genezen, hij zei.

De details verschijnen in het tijdschrift American Chemical Society macromoleculen .

Het Rijstlab, met hulp van collega's van de Universiteit van Tennessee, Knoxville; Oak Ridge National Laboratory en de Universiteit van Houston, karakteriseerde verschillende flessenborstels gemaakt van polystyreen en poly (methylmethacrylaat) (ook bekend als PMMA) terwijl ze bestudeerden waardoor de polymeren migreren.

Lijkend op hun macrokeuken-neven (evenals bepaalde bloemen), flessenborstels bestaan ​​uit kleine polymeerketens die naar buiten uitstralen vanuit een lineaire polymeerstaaf. De flessenborstels assembleren zelf in een oplossing, die kunnen worden gemanipuleerd om hun eigenschappen aan te passen.

Coatings zijn alomtegenwoordig, zei Verduzco. "Als we niet de juiste coatings hadden, onze materialen zouden snel verslechteren, ' zei hij. 'Ze zouden reageren op een manier die wij niet willen. Het coaten van een oppervlak is dus meestal een apart proces; je maakt iets en dan moet je een manier vinden om er een coating op aan te brengen.

"Waar we naar kijken is een soort universeel additief, een molecuul dat je kunt mengen met wat je ook maakt dat spontaan naar de oppervlakte of het grensvlak gaat, "zei hij. "Zo zijn we uiteindelijk flessenborstels gaan gebruiken."

Flessenborstels kunnen worden afgesteld door het aantal zijkettingen te variëren, hun lengte of de lengte van het ruggengraatpolymeer, zei Verduzco. De zijketens zelf kunnen van een gemengd type zijn, en kleine moleculen of eiwitten kunnen aan hun eindgroepen worden toegevoegd.

"De chemie van deze materialen is zo geavanceerd dat je vrijwel elk soort polymeer als een van deze borstelharen op de zijketen kunt plaatsen, "zei hij. "Je kunt ze in een andere volgorde zetten."

De onderzoekers ontdekten dat entropische en enthalpische thermodynamica flessenborstels bijna volledig wegdreef van het binnenste van de films en in de richting van de interfaces terwijl ze opdroogden. Zelfs waar lineaire polymeren werden ontworpen om te paren met de oppervlakte-interface, de flessenborstels kwamen nog steeds naar het blootgestelde oppervlak.

Verduzco merkte op dat de bevindingen mogelijk werden gemaakt tegen de tijd van de vlucht-secundaire ionenmassaspectrometer, verworven door Rice in 2018 via een National Science Foundation-subsidie. Met de spectrometer konden de onderzoekers niet alleen het oppervlak van coatings karakteriseren door ze te bombarderen met ionen, maar ook hoe coatings veranderden toen microscopisch kleine lagen van boven naar beneden werden verwijderd.