Исследователи из Columbia Engineering впервые продемонстрировали новую технику, вдохновленную перламутром раковин устриц, композитным материалом, обладающим исключительными механическими свойствами, в том числе большой прочностью и упругостью. Изменяя скорость кристаллизации полимера, изначально хорошо перемешанного с наночастицами, команда смогла контролировать самосборку наночастиц в структуры в трех очень разных режимах масштаба длины. Это многомасштабное упорядочение может сделать основной материал почти на порядок более жестким, сохраняя при этом желаемую деформируемость и легкость полимерных материалов. Исследование, проведенное Санатом Кумаром, профессором химического машиностроения Быховского, опубликовано 7 июня в Интернете в ACS Central Science.
«По сути, мы создали одноэтапный метод создания композитного материала, который значительно прочнее исходного материала», - говорит Кумар, эксперт в области динамики полимеров и самосборки. «Наша технология может улучшить механические и потенциально другие физические свойства коммерчески значимых пластиковых материалов, используемых в автомобилях, защитных покрытиях и упаковке для продуктов питания и напитков, которые мы используем каждый день. И, заглядывая в будущее, мы также можем получить интересные электронные или оптические свойства нанокомпозитных материалов, что потенциально позволит производить новые материалы и функциональные устройства, которые можно использовать в структурных приложениях, таких как здания, но с возможностью мониторинга их здоровье на месте."
Около 75 процентов коммерчески используемых полимеров, включая полиэтилен, используемый для упаковки, и полипропилен для бутылок, являются полукристаллическими. Эти материалы имеют низкую механическую прочность и, следовательно, не могут быть использованы для многих передовых приложений, таких как автомобильная фурнитура, такая как шины, ремни вентилятора, бамперы и т.д. и керамические матрицы могут значительно улучшить свойства материала. Хорошим примером в природе является перламутр, который на 95 процентов состоит из неорганического арагонита и на 5 процентов из кристаллического полимера (хитина); его иерархическое упорядочение наночастиц - смесь интеркалированных хрупких пластинок и тонких слоев эластичных биополимеров - значительно улучшает его механические свойства. Кроме того, параллельные слои арагонита, удерживаемые вместе наноразмерным (толщиной ~ 10 нм) слоем кристаллического биополимера, образуют «кирпичи», которые впоследствии собираются в надстройки «кирпичного раствора» в микрометровом масштабе и больше. Эта структура при различных размерах значительно повышает прочность.
«Хотя достижение спонтанной сборки наночастиц в иерархию масштабов в полимерном носителе было «Святым Граалем» в нанонауке, до сих пор не было установленного метода для достижения этой цели», - говорит Дэн Чжао. Аспирант Кумара и первый автор этой статьи. «Мы решили эту проблему с помощью контролируемой многомасштабной сборки наночастиц, используя кинетику кристаллизации полимера».
Хотя исследователи, занимающиеся полимерными нанокомпозитами, добились легкого контроля организации наночастиц в аморфной полимерной матрице (т. е. полимер не кристаллизуется), на сегодняшний день никому не удалось настроить сборку наночастиц в кристаллической полимерной матрице. Один из связанных подходов основывался на ледяных шаблонах. Используя этот метод, исследователи кристаллизовали небольшие молекулы (преимущественно воды) для организации коллоидных частиц, но из-за присущей этим процессам кинетики частицы обычно выбрасываются в микромасштабные границы зерен, и поэтому исследователи не смогли упорядочить наночастицы. в нескольких масштабах, необходимых для имитации перламутра.
Группа Кумара, специалисты по настройке структуры и, следовательно, свойств полимерных нанокомпозитов, обнаружили, что путем смешивания наночастиц в растворе полимеров (полиэтиленоксида) и изменения скорости кристаллизации путем изменения степени переохлаждения (а именно, насколько ниже точки плавления проводилась кристаллизация), они могли контролировать самосборку наночастиц в трех различных режимах масштаба: нано, микро и макрометр. Каждая наночастица была равномерно обернута полимерами и равномерно распределена до начала процесса кристаллизации. Затем наночастицы собирались в листы (10-100 нм), а листы - в агрегаты на микроуровне (1-10 мкм) при кристаллизации полимера..
«Эта контролируемая самосборка важна, потому что она повышает жесткость материалов, сохраняя при этом их жесткость», - говорит Кумар. «И материалы сохраняют низкую плотность чистого полукристаллического полимера, поэтому мы можем поддерживать низкий вес структурного компонента, свойство, которое имеет решающее значение для таких приложений, как автомобили и самолеты, где вес является критическим фактором. С нашим универсальным подходом, мы можем варьировать либо частицу, либо полимер, чтобы добиться определенного поведения материала или производительности устройства».
Команда Кумара планирует далее изучить основы, которые позволяют частицам двигаться к определенным областям системы, и разработать методы ускорения кинетики упорядочения частиц, что в настоящее время занимает несколько дней. Затем они планируют изучить другие системы полимер/частицы, ориентированные на применение, такие как системы полилактид/наночастицы, которые могут быть разработаны как биоразлагаемые и устойчивые полимерные нанокомпозиты нового поколения, и полиэтилен/диоксид кремния, который используется в автомобильных бамперах, зданиях и мостах..
«Возможность замены конструкционных материалов этими новыми композитами может оказать глубокое влияние на экологичные материалы, а также на инфраструктуру нашей страны», - говорит Кумар.