science >> Wetenschap >  >> nanotechnologie

Onderzoekers creëren polymeer nanokristallen in uniforme vorm

Concept om deeltjes van uniforme grootte en vorm te verkrijgen door gecontroleerde polymerisatie op zowel moleculair als deeltjesniveau. Krediet:Stefan Mecking en Manuel Schnitte

Een team van onderzoekers van de Universiteit van Konstanz heeft een nieuwe waterige polymerisatieprocedure gedemonstreerd voor het genereren van polymere nanodeeltjes met een enkele keten en uniforme vorm, die, in tegenstelling tot eerdere methoden, gaat gepaard met hoge deeltjesconcentraties. Een overeenkomstige paper getiteld "Uniform shape monodisperse single chain nanocrystals by living waterige katalytische polymerisatie" is klaar voor publicatie in Natuurcommunicatie .

Om nanomaterialen te bouwen, nanodeeltjes met uniforme vormen en maten zijn vereist. Hoewel anorganische metaal- of metaaloxidenanodeeltjes die geschikt zijn voor assemblage in verschillende vormen kunnen worden gegenereerd, het was tot nu toe erg moeilijk om polymeer nanodeeltjes te vervaardigen in andere vormen dan bollen. Stefan Mecking, hoogleraar chemische materiaalkunde aan de Universiteit van Konstanz zegt:"Bij eerdere benaderingen deeltjes met een enkele keten werden bereid door post-polymerisatie ineenstorting of samengesteld uit oplossingen van afzonderlijk gesynthetiseerde ketens. We zijn erin geslaagd om directe polymerisatie aan te tonen tot monodisperse nanokristallen met een enkele keten in uniforme vorm voor polyethyleen, dat is het grootste en belangrijkste synthetische polymeermateriaal."

Een grote uitdaging die met deze aanpak gepaard gaat, is het bereiken van een groei van levende ketens en deeltjes die enkele uren kan worden volgehouden en tot zeer hoge molecuulgewichten, idealiter resulterend in nanokristallen met een enkele keten van polyethyleen met een ultrahoog molecuulgewicht. Om dit te behalen, de onderzoekers ontwikkelden geavanceerde katalysatoren. "Vervolgens hebben we een reeks drukreactortests uitgevoerd om ideale omstandigheden te identificeren voor het handhaven van katalytische activiteit gedurende langere tijdsperioden en om inzicht te krijgen in het keten- en deeltjesgroeiproces, " legt Mecking uit. "Naast de nieuwe katalysatoren, controle van de colloïdale toestand van het reactiemengsel is een ander sleutelelement bij het verkrijgen van de gewenste waterige deeltjesdispersies."

TEM-afbeeldingen van UHMWPE-nanokristallen. a–d Nanokristallen verkregen uit waterige polymerisatie na verschillende reactietijden die de evolutie van grootte en vorm laten zien (items 1 (a), 3 (b), 5 (c), en 7 (d), Tafel 2); e, f gelaagde structuren met korte-afstandsvolgorde gevormd door het drogen van uniforme deeltjesdispersies met verschillende groottes (items 2 (e) en 7 (f), Tafel 2), deeltje grenzen rood gemarkeerd.

In tegenstelling tot veel post-polymerisatie procedures, de waterige polymerisatieprocedure uitgewerkt door Stefan Mecking en zijn team levert hoge deeltjesdichtheid op, die vergelijkbaar zijn met commerciële polymeerdispersies die worden gebruikt voor coatings, verf en andere toepassingen. Met behulp van transmissie-elektronenmicroscopie (TEM), de onderzoekers konden bevestigen dat de aldus gegenereerde deeltjes uit een enkele keten zijn samengesteld, een uniforme vorm en grootteverdeling vertonen en niet aggregeren.

"Hoewel onze assemblages mogelijk niet volledig overeenkomen met de uitgebreid geoptimaliseerde assemblages van anorganische nanodeeltjes, ze lijken veelbelovend, " concludeert Mecking. "Na verloop van tijd, onze inzichten in het creëren van anisotrope polymere nanokristallen met behulp van waterige katalytische polymerisatie kunnen ons in staat stellen om polymeermaterialen te maken op basis van nanodeeltjesassemblage."