De wereld is gevuld met talloze geluiden en trillingen:de zachte tonen van een piano die door de gang zweeft, het ontspannende spinnen van een kat die op je borst ligt, het vervelende gezoem van de kantoorverlichting. Stel je voor dat je geluiden van een bepaalde frequentie selectief kunt uitschakelen.

Onderzoekers van de Universiteit van Illinois Urbana-Champaign hebben polymeernetwerken gesynthetiseerd met twee verschillende architecturen en verknopingspunten die in staat zijn om polymeerstrengen dynamisch uit te wisselen om te begrijpen hoe de netwerkconnectiviteit en bindingsuitwisselingsmechanismen het algehele dempingsgedrag van het netwerk bepalen. De integratie van dynamische bindingen in het polymeernetwerk demonstreert een uitstekende demping van geluid en trillingen bij goed gedefinieerde frequenties.

"Dit onderzoek gaat over het gebruik van polymeren om verschillende geluiden en trillingen te absorberen die op verschillende frequenties kunnen optreden", zegt professor materiaalkunde en techniek Chris Evans, die dit werk leidde. "We willen weten hoe we de chemie van het polymeer op moleculaire schaal zo kunnen ontwerpen dat we bepalen welk soort energieabsorberend vermogen het heeft."

De resultaten van dit nieuwe onderzoek zijn onlangs gepubliceerd in Nature Communications .

Het kunnen aanpassen van polymeren om specifieke frequenties te absorberen kan nuttig zijn voor gebruik in oordopjes en helmen voor mensen in de buurt van ontploffingen of explosies en in scenario's met herhaalde blootstelling aan een bepaalde frequentie van geluid, zoals een helikopterpiloot, waar een dergelijke langdurige blootstelling kan optreden. tot gehoorproblemen leiden.

Polymeren zijn moleculen met een lange keten die zijn samengesteld uit vele zich herhalende eenheden. Sommige polymeren zijn niet volledig lineair en hebben takken, zoals bomen; en andere polymeren zijn sterk verknoopt waarbij individuele polymeerketens door covalente bindingen met andere ketens zijn verbonden, zoals een net. Het verknopingspunt is een binding die de ene polymeerketen met de andere verbindt, en dit is waar bindingen kunnen worden uitgewisseld.

Dankzij dynamische bindingen binnen een polymeernetwerk kan het zijn structuur herschikken als reactie op een verandering in de omgeving (hoge temperatuur, pH, blootstelling aan UV-licht, enz.). Het vervangen van enkele covalente bindingen in verknoopte polymeerstructuren door dynamische bindingen kan de eigenschappen van het polymeer verbeteren, zoals de modulus (de stijfheid van het materiaal) en de viscositeit (hoe gemakkelijk het materiaal vloeit). Dynamische verbindingen geven materialen unieke eigenschappen, zoals zelfherstellend, superrekbaarheid, adhesieve eigenschappen en materiaaltaaiheid door de wijziging van de visco-elastische eigenschappen.

"De belangrijkste vooruitgang hier is dat we dynamische covalente bindingen gebruiken", legt Evans uit. "Het zijn chemische bindingen, maar ze kunnen met elkaar uitwisselen (het dynamische deel) en als er twee verschillende chemieën worden gebruikt, kunnen ze op heel verschillende tijdschalen worden uitgewisseld (het orthogonale deel). We gebruiken dat proces om te proberen te controleren wat frequenties van geluid en trillingen die we absorberen."

Het integreren van orthogonale bindingen, waarbij snelle bindingen alleen kunnen worden uitgewisseld met andere snelle bindingen en langzame bindingen alleen kunnen worden uitgewisseld met andere langzame bindingen, genereert meerdere en goed gescheiden relaxatiemodi, waardoor het netwerk uitstekende demping en verbeterde mechanische eigenschappen, zoals taaiheid, krijgt.

Het team maakte een reeks polymeren met gecontroleerde typen architecturen en backbones, en ze keken naar de manier waarop de polymeerketens met elkaar verbonden zijn. Evans zegt dat het eigenlijk een groot verschil maakt hoe de polymeerketens zijn verbonden om de energiedissiperende processen op zeer specifieke tijdschalen te krijgen die overeenkomen met zeer specifieke geluidsgolven of trillingen. Als de ketens alleen aan de uiteinden met elkaar verbonden zijn, is dit niet zo effectief als het periodiek koppelen langs de ketenruggengraat.

Een van de belangrijkste beperkingen van de materialen die in dit onderzoek worden gebruikt, is echter dat ze uiteindelijk vloeien. Elastiekjes zullen bijvoorbeeld hun vorm behouden, maar wanneer deze dynamische verbindingen worden toegevoegd, zullen ze uiteindelijk altijd vloeien, als een stomme stopverf. Dit is prima voor bijvoorbeeld een soldatenhelm waarbij het materiaal in de schaal van de helm is ingesloten, maar niet zozeer voor een oordopje. Evans zegt dat zijn groep werkt aan manieren om het polymeer een meer op zichzelf staand materiaal te laten worden, en in de toekomst willen ze meer dynamische bindingen inbouwen, zodat het polymeer niet alleen op maat is gemaakt voor een specifieke frequentie. maar voor een veel breder frequentiebereik.

Chris Evans is ook aangesloten bij het Materials Research Laboratory en het Beckman Institute for Advanced Science and Technology bij UIUC.

Andere bijdragen aan dit werk zijn onder meer Sirui Ge (afdeling materiaalkunde en -techniek en het Materials Research Laboratory van UIUC) en Yu-Hsuan Tsao (afdeling materiaalkunde en -techniek en het Materials Research Laboratory van UIUC).

Meer informatie: Sirui Ge et al., Polymeerarchitectuur dicteert meerdere relaxatieprocessen in zachte netwerken met twee orthogonale dynamische bindingen, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43073-w

Journaalinformatie: Natuurcommunicatie

Aangeboden door Grainger College of Engineering van de Universiteit van Illinois