Hoe maak je een materiaal met de elasticiteit van een rubberen band en de thermische isolatie van een piepschuimbeker? Verbind twee verschillende polymeerketens - poly(isopreen) en poly(styreen) - als een reeks bouwstenen voor kinderen. Het resultaat is een toepasselijk genaamd "blokcopolymeer" dat de eigenschappen van beide materialen bezit en veel wordt gebruikt in de banden van auto's en de zolen van sportschoenen.

Maar het meest indrukwekkende kenmerk van een blokcopolymeer is het vermogen om zichzelf te assembleren. Stel je voor, bijvoorbeeld, een mengsel van poly(isopreen) en poly(styreen) op de vloer laten vallen. De twee onverenigbare blokken zullen 'fase-gescheiden' zijn zoals olie en water. Echter, verbind de uiteinden van de twee polymeren met elkaar en het materiaal kan meestal worden samengevoegd tot een goed gedefinieerd materiaal met een structuur op nanoschaal.

De natuurlijke assemblage is uiterst waardevol voor opkomende toepassingen op nanoschaal, inclusief materialen voor brandstofcellen, lithium-ion batterijen, en organische fotovoltaïsche energie.

Blokcopolymeren kunnen goed gedefinieerde nanostructuren creëren zonder traditionele verwerking op nanoschaal, zei onderzoeker Thomas Epps van de Universiteit van Delaware. Het gebruik van blokcopolymeren kan helpen bij het verbeteren of vervangen van lithografische en andere technieken, wat betekent dat men materialen op nanoschaal kan maken zonder de dure hulpmiddelen.

Om optimaal te profiteren van de moleculaire architectuur van een blokcopolymeer, onderzoekers zoeken naar manieren om de interacties tussen polymeerblokken te beheersen door middel van hoge temperaturen en selectieve oplosmiddelen.

"Als ik een copolymeer van een bepaalde samenstelling en molecuulgewicht maak, Ik heb mezelf meestal opgesloten in een verwerkingstemperatuur op basis van die chemische factoren, "Zei Epps. "We willen een manier vinden om deze materialen zo af te stemmen dat, ongeacht welke blokken worden gecombineerd, we kunnen de verwerkingsomstandigheden controleren."

Om dit te doen, Epps en collega-onderzoekers van de Universiteit van Delaware, Nripen Singh en Maeva Tureau, onderzoeken afstemming met tapering, wat de compatibiliteit van het polymeer verhoogt door het chemische grensvlak tussen de twee blokken glad te strijken.

Tapering geconceptualiseerd:denk aan een blok paarse kralen gekoppeld aan een blok blauwe kralen. Een gewoon blokcopolymeer heeft een scherp grensvlak dat de twee soorten korrels scheidt. In een taps toelopend blokcopolymeer, een gebied tussen de twee blokken is zodanig ingevoegd dat het aantal paarse kralen langzaam zal afnemen naarmate het aantal blauwe kralen toeneemt. In een omgekeerd taps toelopend blokcopolymeer, het tegenovergestelde gebeurt (zie figuur).

Er wordt gedacht dat het taps toelopen van de interface de "straf" van het mengen tussen de twee zeer verschillende blokken vermindert. Het resultaat is een lagere verwerkingstemperatuur, wat gemakkelijker en goedkoper te realiseren is, en grotere chemische compatibiliteit.

Om dit idee te testen, de onderzoekers synthetiseerden een aantal taps toelopende poly(isopreen-b-styreen) blokcopolymeermonsters aan de Universiteit van Delaware:monsters met verschillende taps toelopende lengtes (van 15-35 procent taps toelopend materiaal) met normale of inverse tapsheid.

De monsters werden vervolgens verwarmd en afgekoeld terwijl onderzoekers de veranderingen in het materiaal observeerden met röntgenverstrooiing onder een kleine hoek bij de NSLS (bundellijn X27C) en Argonne's Advanced Photon Source, en transmissie-elektronenmicroscopie en dynamische mechanische analyse aan de Universiteit van Delaware.

hun resultaten, die verscheen op 7 december uitgave van 2009 Zachte materie , bewezen dat onderzoekers de compatibiliteit van blokcopolymeren kunnen afstemmen (via tapering) zonder afbreuk te doen aan de ordening of mechanische eigenschappen van het materiaal. Uit het onderzoek bleek ook dat inverse tapering de grootste toename in compatibiliteit geeft.

"De inverse tapering dwingt meer ongunstige interacties in het gesynthetiseerde copolymeer, dus de straf voor het creëren van meer interacties door zelfassemblage of mengen is kleiner, ’ zei Epps.