Legeronderzoekers bereikten een doorbraak in de ontluikende wetenschap van tweedimensionale polymeren dankzij een samenwerkingsprogramma dat de hulp inroept van leidende wetenschappers en ingenieurs uit de academische wereld, bekend als gezamenlijke faculteitsbenoemingen.

Onderzoekers van het Amerikaanse leger Combat Capabilities Development Command, nu bekend als DEVCOM, Army Research Laboratory werkt samen met Prof. Steve Lustig, een gezamenlijke faculteitsaanstelling aan de Northeastern University, om de ontwikkeling van 2D-polymeren voor militaire toepassingen te versnellen.

De samenwerking met ARL Northeast leidde tot een baanbrekende studie gepubliceerd in het peer-reviewed wetenschappelijke tijdschrift macromoleculen . Redacteuren vermeldden het onderzoek in een omslagartikel.

"2-D-polymeren zijn slechts ongeveer 10 jaar vanuit synthetisch oogpunt zeer serieus bestudeerd, " zei Dr. Eric Wetzel, onderzoeksgebied leider voor Soldier Materials in het laboratorium. "Ze vertegenwoordigen een nieuwe, relatief onontgonnen klasse van materialen met een enorm potentieel."

Volgens Wetzel, 2-D polymeren hebben een zeer herhaalbare, symmetrisch patroon verwant aan "kippengaas, " die toegang biedt tot meer structurele verbeteringen in vergelijking met eendimensionale, lineaire polymeren zoals Kevlar.

In een poging om het volledige potentieel van deze materialen te meten, Legeronderzoekers zijn begonnen met het computationeel ontwerpen van 2D-polymeren in de hoop dat ze een superieur alternatief voor conventionele aramidevezels kunnen ontwikkelen voor toepassingen zoals bepantsering en brandwerende kleding.

Prof. Steve Lustig, een gezamenlijke faculteitsaanstelling aan de Northeastern University, gebruikt zijn ervaring in de sector met DuPont om legeronderzoekers te helpen bij het berekenen van de milieuduurzaamheid van gesimuleerde 2D-polymeren.

Om op de juiste manier een 2D-polymeer te maken dat bestand is tegen reële omstandigheden, Legeronderzoekers zochten de hulp van Lustig, die eerder meer dan twee decennia bij DuPont Central Research &Development heeft gewerkt voordat hij universitair hoofddocent met vaste aanstelling werd aan de Northeastern University.

"Het idee van het 2D-polymeerproject is in wezen om een ​​2D-versie van Kevlar te maken, " zei Lustig. "Ik had meer dan tien jaar ervaring in het werken met de Kevlar-business in verschillende aspecten van de polymerisatie van vloeibaar kristallijne polymeren, verwerking en eigenschappen. Het ARL-team geloofde dat mijn achtergrond nuttig zou zijn."

Lustig legde uit dat hij halverwege de jaren 2000 voor het eerst over het laboratorium had gehoord toen hij in contact kwam met Dr. Kenneth Strawhecker, een legerwetenschapper die contact had gezocht met DuPont op zoek naar samenwerkingen met de industrie.

Destijds, Lustig werkte als hoofdwetenschapper in de polymeerfysica-groep van DuPont en specialiseerde zich in de ontwikkeling van nieuwe hulpmiddelen voor statistische mechanica, statistische thermodynamica en moleculaire simulaties.

Naast zijn expertise aan de computationele kant van industrieel onderzoek, hij voerde ook experimenten uit in chemische synthese, polymeer verwerking, karakterisering van polymeermateriaaleigenschappen en atoomkrachtmicroscopie.

"Ik heb nooit het geduld gehad om op één plek te blijven en een meester te worden in slechts een heel klein gebied, " zei Lustig. "Ik heb altijd geprobeerd om problemen holistisch op te lossen met behulp van experimenten, theorie en computers."

Toen Lustig Strawhecker ontmoette, de twee begonnen een reeks informele samenwerkingen die gericht waren op het gebruik van atoomkrachtmicroscopie om niet alleen de structuur van Kevlar-materialen te begrijpen, maar ook hun reactie op trekspanning en buigmechanica.

Het wetenschappelijke tijdschrift macromoleculen bevat de door het leger geleide studie op de binnenkant van de omslag van het nieuwste nummer.

De American Chemical Society publiceerde later de resultaten van dit onderzoek als de omslag van het peer-reviewed wetenschappelijke tijdschrift Toegepaste materialen en interfaces anno 2020.

Zelfs nadat Lustig DuPont in 2016 verliet, hij zette zijn samenwerkingen met het laboratorium voort als gastwetenschapper. Kort na een van zijn seminarpresentaties in het lab, hij ontmoette Wetzel, die onmiddellijk de waarde van Lustig's branche-ervaring inzag.

In de loop van zijn voortdurende interactie met Strawhecker en Wetzel, Lustig kreeg de kans om een ​​ARL Joint Faculty Appointment te worden nadat hij bij de afdeling Chemical Engineering aan de Northeastern University was gaan werken.

Vanwege zijn nabijheid tot de noordoostelijke campus van ARL, zowel Strawhecker als Wetzel zagen Lustig als een topkandidaat voor de functie.

"Het ARL Open Campus Initiative biedt een manier om externe expertise aan te boren die mogelijk niet in ons laboratorium aanwezig is, "De gezamenlijke faculteitsbenoeming is een nieuwbouw binnen Open Campus die nog maar een paar jaar bestaat", aldus Wetzel. maar dankzij dit mechanisme konden we een expert met jarenlange ervaring bij DuPont in ons onderzoeksprogramma integreren."

Volgens Wetzel, De lange geschiedenis van Lustig met hoogwaardige vezelontwikkelingsprojecten bij DuPont gaf legeronderzoekers toegang tot unieke modelleringscapaciteiten en onschatbare begeleiding bij de methoden en technieken die de stabiliteit van hun conceptuele 2D-polymeren zouden verbeteren.

Als een gezamenlijke faculteitsbenoeming, Lustig analyseerde de milieuduurzaamheid van de 2D-polymeerontwerpen van het laboratorium en voerde computersimulaties uit die bepaalden hoe goed ze extreme omstandigheden zoals intense hitte doorstaan.

Lustig werkte samen met Dr. Jan Andzelm, een legerwetenschapper en ARL-fellow wiens expertise in de moleculaire simulaties van polymeren van cruciaal belang was voor het uitvoeren van de berekeningen.

Door deze computersimulaties, vergeleken de onderzoekers de thermische stabiliteit van het 1D-polymeer Kevlar, een 2-D polymeer genaamd een amide covalent organisch raamwerk, bekend als amCOF, en een hypothetisch 2D-polymeer ontworpen door het laboratorium, grafamide genaamd.

"We hebben een reeks zeer nauwkeurige, hoogwaardige kwantummechanische berekeningen genaamd ab initio moleculaire dynamica en bestudeerden de veranderingen in de structuur tussen de drie moleculen waar we naar keken, ' zei Lustig. 'Toen we eenmaal bevestigden dat onze methode een bekend molecuul als Kevlar nauwkeurig kon beschrijven, we konden het toepassen op moleculen die we niet kenden, zoals grafamide en nauwkeurige voorspellingen doen over hun gedrag en eigenschappen."

De resultaten van de vergelijkende studie toonden aan dat grafamide potentieel bestand is tegen temperaturen tot 700 graden Celsius, die de limieten van zowel Kevlar als het amCOF-materiaal overschreed.

Gezien de aanvaarding van het onderzoek als omslagartikel, Lustig zei dat hij gelooft dat het laatste succes van het team duidelijk het belang van ARL Open Campus-initiatieven benadrukt, zoals de gezamenlijke benoemingen van faculteiten.

Lustig uitte zijn dankbaarheid aan het laboratorium voor zijn positie en zei dat hij de kans zag als een uitstekende manier om het leger bij zijn inspanningen te helpen.

"Ik raakte in de eerste plaats betrokken bij Kevlar omdat mijn vader carrièreleger was, dus het idee om jongens zoals mijn vader te beschermen is erg belangrijk voor mij.' zei Lustig. 'Ik ben erg opgewonden dat we soldaten nieuwe materialen kunnen aanbieden om hun werk gemakkelijker en veiliger te maken.'