Een nieuwe manier om composietmaterialen te ingenieur: polymeerontwerp combineert sterkte met omkeerbaarheid

Composietlijmen zoals epoxyharsen zijn uitstekende hulpmiddelen voor het verbinden en vullen van materialen, waaronder hout, metaal en beton. Maar er is één probleem: zodra een composiet wordt ingesteld, is het er voor altijd. Nu is er een betere manier. Onderzoekers hebben een eenvoudig polymeer ontwikkeld dat dient als een sterke en stabiele vulstof die later kan worden opgelost. Het werkt als een verwarde bal van garen die, wanneer getrokken, in afzonderlijke vezels ontrafelt.

Een nieuwe studie onder leiding van onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Department of Energy schetst een manier om pseudo-bindingen in materialen te ontwikkelen. In plaats van chemische bindingen te vormen, wat epoxieën en andere composieten zo stoer maakt, verstrikt de ketens van moleculen op een manier die volledig omkeerbaar is. Het onderzoek is gepubliceerd in het dagboek Geavanceerde materialen.

“Dit is een gloednieuwe manier om materialen te stollen. We hebben een nieuw pad geopend naar composieten die niet bij de traditionele manieren past,” zei Ting Xu, een faculteit senior wetenschapper bij Berkeley Lab en een van de hoofdauteurs voor de studie.

Traditioneel zijn er twee manieren om polymeermaterialen sterk en taai te maken. In het eerste creëert het toevoegen van een instellingsagent een verknoopt netwerk van polymeermoleculen bij elkaar gehouden door permanente chemische bindingen. In de tweede zorgt het vergroten van de lengte van ketens van polymeermolecuul ervoor dat ze steeds meer verstrikt raken, zodat ze niet uit elkaar kunnen komen.

De laatste, stelde Xu voor, biedt de mogelijkheid van een omkeerbaar ontwerp. Ze vergeleek het concept met gevouwen eiwitten die interactie hebben zonder chemische bindingen om stevige structuren in de natuur te creëren, en kan zich later ontvouwen in hun samenstellende strengen.

Xu wilde samen met haar collega’s in de Divisie Materials Sciences van Berkeley Lab voortbouwen op dit concept en beginnen met een verzameling eenvoudige polystyreenketens, omtang ze samen in een stoere en stabiele structuur en breng het materiaal vervolgens terug naar het startpunt. “Laten we zeggen dat je een bal garen hebt, en het is een puinhoop. Je kunt het niet ontwarren,” zei Xu. “Maar als je met het garen speelt, kun je het misschien misleiden om te ontwarren.”

Met dit in gedachten bevestigden de onderzoekers polystyreenketens aan honderd-nanometers-diameter silica-deeltjes, om te creëren wat Xu ‘harige deeltjes’ noemde. Door nanocomposieten te vormen, waren deze harige deeltjes zelf geassembleerd in een kristalachtige structuur, waardoor verschillende ruimtes tussen elke eenheid voor de harige polymeren kunnen vullen. De beschikbare ruimte voor elke polystyreenketen hing af van zijn positie in de structuur – en bepaalde daarom hoeveel het samen met zijn buren verwardde.

Door de polymeerketens in deze kleine ruimtes te beperken met verschillende geometrieën, verminderde Xu de vrijheid waarmee elk cluster van polystyreenketens kon bewegen – waardoor de controle over hoe verstrikt ze werden geworden. Of, zo blijkt, hoe niet verstrikt is: voor bepaalde regelingen was de reactie op het knijpen dat een specifiek cluster van polystyreenketens is losgemaakt in reactie op een uitgeoefende kracht.

“Hoeveel verstrengeling gebeurt met de deeltjes bepaalt hun reactie op een externe kracht,” zei Xu, die ook professor is aan het UC Berkeley’s College of Engineering en College of Chemistry. Door de polystyreenketengrootte aan te passen, evenals precies waar en hoeveel ketens werden aangebracht op elk facet van het silicaruimtdeeltje, kon ze aanpassen hoe de structuur reageerde op het afwenden van externe spanningen. Uiteindelijk boden deze parameters de sleutel tot engineering-gebaseerde “pseudo-obligaties”.

Microscopiestudies onthulden dat hoewel sommige ketens rigide werden onder opsluiting, anderen uiteindelijk ontweken en uitgestrekt om de externe stress te verdrijven. Het resultaat was een sterk, taai, dun-filmmateriaal, stevig aan elkaar gehouden door pseudo-bindingen van verwarde polystyreenketens. Het toevoegen van kleine hoeveelheden polystyreenketens zelf aan de nanodeeltjesassemblages verhoogde de uiteindelijke belastingdragende eigenschappen met nog eens 50%.

“We waren erg enthousiast dat we nu amorfe polymeerorganisatie kunnen manoeuvreren met behulp van nanoconfinement,” zei Xu. Tot nu toe worden amorfe polymeren vaak willekeurig verstrikt, terwijl eiwitten mooi vouwen. De variaties in polystyreen kettingopstelling raken nu een sweet spot die kan worden gebruikt om composieten op een slimme manier te ontwikkelen. Bovendien loste het toevoegen van een druppel oplosmiddel en roeren de nanocomposiet terug in zijn samenstellende deeltjes gesuspendeerd: er waren geen chemische bindingen om te breken, waardoor de materialen konden worden verwerkt.

Volgens Xu kan de Berkeley Lab Study gemakkelijk worden uitgebreid tot andere polymeren en vulstoffen. Polystyreen is een van de meest voorkomende polymeren en silica is een goedkoop nanodeeltje; Desalniettemin veronderstelt Xu dat de resultaten ook van toepassing zullen zijn op andere composieten. Ze stelt zich een toekomst voor met deeltjes met andere optische of magnetische eigenschappen, bijvoorbeeld om composieten te maken voor opto -elektronische apparaten. “We kunnen zowel kracht als taaiheid hebben, alleen door te moduleren hoe de polymeren worden verdeeld”, zei Xu.