Wanneer plastic materialen worden verwerkt of gerecycled, kunnen hun fundamentele eigenschappen verslechteren als gevolg van schade veroorzaakt door vervorming. Recyclingprocessen hebben de neiging om moleculaire bindingen in de materialen te verbreken, waardoor ze zwakker en minder duurzaam worden. Een manier om kunststoffen te verduurzamen is door gebruik te maken van zelf-geassembleerde zachte materialen die zichzelf kunnen herstellen na beschadiging.

Zelf-geassembleerde materialen organiseren zich spontaan en kunnen moleculaire verbindingen hervormen nadat ze beschadigd zijn, waardoor de materialen na verloop van tijd hun sterkte kunnen herstellen. Veel onderzoekers onderzoeken toepassingen van zelfherstellende materialen waar plastic componenten moeilijk te vervangen of te repareren zijn, zoals nanotechnologie in computers of biomedische materialen in menselijke lichamen. Wetenschappers hebben echter geen grondig begrip van hun gedrag op moleculaire schaal.

Thomas O'Connor, een assistent-professor materiaalwetenschappen en techniek, werkt eraan om dat te veranderen. Hij en zijn team van medewerkers gebruiken moleculaire simulaties om een ​​soort zelfassemblerende materialen te bestuderen die associërende polymeren worden genoemd. Deze polymeren zijn gemaakt van lange moleculaire ketens die kleverige groepen langs hun lengte bevatten.

De plakkerige groepen worden tot elkaar aangetrokken en aggregeren om clusters te vormen die verschillende ketens met elkaar verbinden tot een netwerk dat eruit zou kunnen zien als een kom moleculaire noedels. Wanneer de polymeren worden beschadigd door vervorming, kunnen de kleverige clusters het materiaal hervormen en genezen door een moleculair litteken te vormen. Kleverigere clusters kunnen sterkere littekens vormen, maar als de kleverige interacties te sterk worden, zullen zich zeer grote clusters vormen en zal het polymeer te stijf worden om tijdens de productie te manipuleren.

Om te begrijpen hoe geassocieerde polymeren zich gedragen wanneer ze worden uitgerekt, simuleerde O'Connor het gedrag van polymeerketens tijdens langwerpige vervorming. Hij ontdekte dat terwijl hij de netwerken uitrekte, plakkerige clusters in het materiaal niet op een uniforme manier reageerden.

De grootste en sterkste clusters hadden de neiging om uiteen te vallen en kettingen te laten stromen als een vloeistof, terwijl andere zwakkere clusters niet zouden breken en voorkomen dat kettingen langer werden. Deze heterogene reactie - verschillende moleculaire gedragingen van dezelfde stimulus - is opwindend voor materiaaltheoretici zoals O'Connor omdat het helpt verklaren waarom deze materialen zo onvoorspelbaar zijn tijdens de productie.

"Normaal gesproken is de manier waarop je een theorie voor een materiaal schrijft, door te vragen:'wat is de gemiddelde reactie van de polymeerketens op wat ik aan het doen ben?'" legde O'Connor uit. "Maar met dit netwerk zijn er twee verschillende gedragingen. Sommige ketens zijn uitgerekt en sommige zijn ingestort. Het gemiddelde zou ergens in het midden liggen en zal ook niet worden vastgelegd."

Omgekeerd, toen O'Connor de simulatie versnelde om de polymeerketens sneller uit te rekken, ontdekte hij dat hoe sneller de ketens werden uitgerekt, hoe meer ze zich allemaal gedroegen.

Bij hoge snelheden braken de clusters die als permanente verbindingen fungeerden uit elkaar en vormden veel kleinere clusters met vergelijkbare eigenschappen als de kleinere clusters die al bestonden. "Dit liet ons zien dat alle hoop niet verloren is voor het werken met, verwerken en ooit recyclen van zelf-geassembleerde materialen", legt O'Connor uit. "Hoewel deze systemen een nieuwe en rommelige manier van gedragen hebben, volgt deze rommeligheid enkele regels omdat de manier waarop het systeem uiteenvalt een soort zelforganisatie creëert. Ik kijk ernaar uit om te onderzoeken wat deze netwerken zullen doen als we zorgvuldiger kunnen controleren hen."

Met behulp van simulaties kan het team van O'Connor de grootte en plakkerigheid van de clusters nauwkeurig controleren en evalueren hoe zorgvuldiger ontworpen associatienetwerken zullen reageren op langwerpige stroming. Dit onderzoek gepubliceerd in Physical Review X is fundamenteel voor de toekomst van het verwerken van zelf-geassembleerde materialen.

Verbetering van het elektromechanische gedrag van een flexibel polymeer