Onderzoekers hebben onlangs een betere manier ontdekt om een ​​nieuwe klasse zachte materialen te maken:een proces dat vroeger vijf maanden duurde, werd teruggebracht tot drie minuten.

Connor Valentijn, een chemische technologie Ph.D. student, en Lynn Walker, hoogleraar chemische technologie, werken met diblokpolymeren. Diblokpolymeren zijn ketenachtige moleculen waarvan het ene uiteinde van de keten hydrofoob is, en de andere is hydrofiel. Dergelijke moleculen worden in zeep gebruikt omdat de hydrofobe kant vuil en olie vastgrijpt, maar de hydrofiele kant houdt de moleculen opgelost in het water.

Wanneer deze moleculen in voldoende hoge concentraties in water worden geplaatst, ze beginnen clusters te vormen:de hydrofiele delen klonteren samen in het midden van de bal om vocht te vermijden. De hydrofobe zijkanten vormen een borstelachtige laag aan de buitenkant van de bal, bescherming van het hydrofobe centrum.

Echter, naarmate je meer polymeren aan het water toevoegt, ze beginnen hun kamer op te raken en stapelen zich intelligent en spontaan op. Het zou zijn alsof je het maximale aantal tennisballen in een doos probeert te passen - je zou elke laag zorgvuldig op elkaar stapelen.

Wanneer ze deze stapels vormen, ze worden kristallen genoemd omdat de organisatiepatronen zich steeds weer in elke richting zullen herhalen. Kristallijne structuren zoals deze zijn overal in de natuur te vinden, ook in edelstenen, metalen, en polymere materialen. Mensen hebben gebruik gemaakt van de herhalende en consistente tussenruimte om polymere membranen te creëren voor het filteren van water en gassen. Er zijn ook opwindende potentiële toepassingen in nieuwe zachte materialen, met toepassingen zoals medische implantaten, lijmen, duurzame voedselverpakkingen, vloeibare schoonheidsproducten, en zelfs specerijen.

Echter, het probleem doet zich voor wanneer onderzoekers specifieke kristallijne structuren proberen te maken. Ingenieurs moeten in staat zijn om consistent kristallen te produceren met specifieke arrangementen en maten om de gewenste materiaalprestaties op marktschaal te bereiken. Echter, verwerkingsproblemen kunnen optreden wanneer ze de krachten die kristalvorming aandrijven niet volledig begrijpen. De verkeerde temperatuurverandering, mengsnelheid, of formulering kan plotselinge vorming van kristallen veroorzaken, degraderen, of overgang naar een andere kristallijne organisatie. De bijbehorende verandering in materiaaleigenschappen kan mixers, apparatuur verpesten, en resulteren in een waardeloos eindproduct.

In dit werk, de gewenste kristallijne toestand kan maanden duren om zich te vormen bij kamertemperatuur. Deze factor kan enorme problemen veroorzaken, met bedrijven die ontdekken dat ze na drie maanden een product hebben met totaal andere eigenschappen - misschien is het dik, of het is stijf geworden - of misschien moet het bedrijf drie maanden wachten om hun product te verkopen omdat het zo lang duurt om de gewenste gelconsistentie te krijgen.

"Het is belangrijk voor mensen om te begrijpen hoe deze polymeermoleculen in kristallen zullen veranderen, ' zegt Valentine. 'En dat is niet alleen als ze in het kristal veranderen dat ze willen; het is de snelheid ervan, de snelheid. Ook, zijn er nog andere kristalfasen aanwezig? Zal elk stuk van dat kristallijne materiaal consequent worden georiënteerd?"

Valentine en Walker werkten samen met medewerkers van de Universiteit van Minnesota, die ontdekte dat de snelheid van verwarming en afkoeling intermediaire kristalstructuren kan produceren die enkele maanden aanhouden. Valentine's team bouwde voort op het werk van hun medewerkers en onderzocht de impact van shear processing op deze kristalstructuren. Afschuifverwerking is een brede term die stappen omvat zoals mengen, schilderen, coating, en schudden - het materiaal beweegt. De snelheid, looptijd, en afschuifrichting kunnen er echt toe doen voor materialen zoals die in dit werk worden gebruikt.

"Ketchup is een goed voorbeeld van waarom afschuifverwerking zachte materialen aantast, omdat ketchup een vloeigrens heeft en dunner wordt wanneer je het mengt of verwerkt, " legt Valentine uit. "Als je ketchup uit een glazen fles probeert te halen en het is gel of een vaste stof, het zal niet stromen. Maar kleine tikjes (op het juiste deel van de fles) zorgen ervoor dat de ketchup heel mooi gaat vloeien. De schaar verandert de microstructuur van de ketchup, die vervolgens de stroomeigenschappen verandert. Het is belangrijk dat we begrijpen hoe afschuiving van invloed is op elk materiaal waarmee we op dezelfde manier werken."

In dit werk, de auteurs gebruikten een oscillerende afschuifstroom, waarbij de gel of het zachte materiaal tussen twee parallelle platen wordt geplaatst, waarbij de bovenplaat heen en weer kan draaien. Onderzoekers kunnen de snelheid en lengte van de bovenplaat regelen. Toen Valentine en zijn team de diblokpolymeerkristallen in deze afschuifcel stopten, ze waren in staat om binnen drie minuten de kristallijne fase te laten veranderen in de evenwichtsstructuur. Het Minnesota-team had eerder vastgesteld dat dezelfde structurele verandering bijna vijf maanden bij kamertemperatuur zonder afschuiving nodig was.

"Afschuifverwerking kan helpen bij de dynamiek, de snelheid, en de snelheid van structurele verandering, niet alleen het eindresultaat, waar mensen niet echt over nadenken, " zegt Valentine. "Ze denken vaak als je deze materialen knipt, het gaat de structuur veranderen in iets anders, maar dat is niet noodzakelijk waar."

Het team heeft deze resultaten gemeten door een bezoek te brengen aan de Advanced Photon Source Synchrotron-versneller in het Argonne National Laboratory, wat in wezen een mijl-brede deeltjesversneller is. Elektronen worden versneld rond de cirkel van de faciliteit met bijna de snelheid van het licht. Elke keer als ze zich omdraaien, een röntgenstraal verlaat de cirkel. Ze gebruikten deze röntgenstralen met hoge intensiteit om de kristalstructuur in realtime te meten.

Hun bevindingen, gepubliceerd in ACS-macrobrieven , toonde aan dat de snelheidstoename optreedt en gedetailleerd hoe de afschuifparameters kunnen worden afgesteld om de gewenste snelheid van kristalvorming te bereiken. Ze ontdekten zelfs dat je de verandering volledig kunt voorkomen als de afschuiving zich op zeer lage frequenties bevindt met zeer lange oscillatiecycli.

"We hebben kunnen laten zien dat deze afschuifbewerkingsstap gewoon een zeer beheersbare manier is om de gewenste structuur te krijgen en hoe snel je het wilt, ' zegt Valentijn.

Het onderzoek was in samenwerking met Ashish Jayaraman en Mahesh K. Mahanthappa, beide van de Universiteit van Minnesota.