Een nieuwe manier om te analyseren hoe coatings van kleine deeltjes de eigenschappen van transparant plastic veranderen, zou onderzoekers kunnen helpen lichtgewicht ramen te maken met bijna de sterkte van glas. Dezelfde methode kan ook leiden tot zeer sterke, krasvaste coatings die op veel verschillende materialen kunnen worden aangebracht, volgens de MIT-onderzoekers die de analyse hebben ontwikkeld.

De analyse gebruikte een polymeer genaamd poly (methylmethacrylaat), of PMMA, die veel wordt gebruikt als glasvervanger. Algemeen bekend als acryl, en verkocht onder handelsmerken zoals Lucite of Plexiglas, dit materiaal kan broos zijn en is veel minder bestand tegen krassen dan glas.

Andere onderzoekers hebben silicadeeltjes met een diameter van slechts nanometers toegevoegd aan PMMA, het creëren van een polymeer-deeltje nanocomposiet met veel grotere sterkte. Maar het MIT-team, Voor de eerste keer, heeft een manier gevonden om de deeltjes-polymeer-interacties van dergelijke coatings op nanoschaal te analyseren, die de ontdekking van verbeterde coatings zou kunnen vergemakkelijken. Hun werk werd in juli gerapporteerd in het tijdschrift Zachte materie .

De analyse werd uitgevoerd door Meng Qu, een postdoc in de afdeling Materials Science and Engineering van MIT, samen met universitair hoofddocent Materials Science and Engineering Krystyn Van Vliet en verschillende onderzoekers bij DuPont Nanocomposite Technologies in Delaware. Het werk werd gedeeltelijk gefinancierd door de DuPont-MIT Alliance.

Silicadeeltjes werden gebruikt voor de coating omdat ze transparant zijn, zodat het afgewerkte materiaal zijn transparantie behoudt. Maar silica en acryl zijn niet compatibel, die normaal gesproken zou leiden tot samenklontering van de kleine silicakorrels - die slechts ongeveer 10 tot 20 nanometer groot zijn, of ongeveer een tienduizendste van de breedte van een mensenhaar. Om dit te overwinnen, het silica werd behandeld met andere "functionele groepen" moleculen, het veranderen van de oppervlaktechemie zodat het gelijkmatig over het polymeeroppervlak verspreidt.

Vervolgens, de onderzoekers verhitten het polymeer om het iets zachter te maken, en gebruikten een atoomkrachtmicroscoop om de deeltjes te observeren terwijl ze langzaam in het oppervlak zonken. Dergelijke waarnemingen van de dynamiek van het proces waren nog nooit eerder gedaan, waardoor het MIT-team kan zien hoe snel de deeltjes zinken en precies bepalen hoe ze interageren met het polymeer.

Met de resulterende gegevens kon het team de optimale coatingmaterialen en deeltjesdichtheden bepalen voor het versterken van het polymeeroppervlak, waardoor sterkere raamvervangers mogelijk worden. Het werk zou ook kunnen leiden tot opspuitbare krasbestendige coatings voor alles, van auto's tot mobiele telefoons, zegt Q. "Elk oppervlak dat moet worden gecoat" is potentieel een kandidaat voor een dergelijke behandeling, ze zegt. "We hebben aangetoond dat het plaatsen van een kleine hoeveelheid deeltjes op het oppervlak de stijfheid verhoogt."

Het werk zou ook een verschil kunnen maken in veel huidige toepassingen van PMMA, zoals de ramen die worden gebruikt in aquariumtanks. Momenteel, dergelijke ramen zijn erg dik gemaakt om de enorme waterdruk in grote tanks te weerstaan. Maar als het materiaal sterker is, de ramen konden dunner en lichter gemaakt worden, en dus goedkoper, zegt Q.

Mark van Landingham, hoofd van de afdeling Materials Response and Design van het onderzoekslaboratorium van het Amerikaanse leger in Adelphi, MD, zegt dat er veel onderzoeksactiviteiten zijn geweest op het gebied van polymere nanocomposieten, maar dit nieuwe werk biedt een unieke benadering voor het bestuderen van de fundamentele chemische en fysische eigenschappen van dergelijke materialen. "Er is een ongelooflijke mix van onderzoek geweest over de hele linie, " hij zegt:Sommige studies hebben aanzienlijke voordelen gevonden van de toevoeging van nanodeeltjes, terwijl anderen weinig verbetering vonden. Dus, hij voegt toe, er is veel belangstelling voor het begrijpen van de basisprincipes van hoe deze materialen op een "fundamentele en kwantitatieve manier" op elkaar inwerken.

De aanpak van het MIT-team zou een nieuwe methode kunnen bieden om te bestuderen hoe de materialen op elkaar inwerken, Van Landingham zegt, en mogelijk een nieuwe manier om dergelijke composieten te maken. "Dit geeft enkele aanvullende richtingen" voor toekomstig onderzoek dat zou kunnen leiden tot nuttige toepassingen, hij zegt.