In een simulatie wordt een polymeerglas dat polymeer nanodeeltjes (groene blobs) bevat, tot het moment van breuk gestrest. De deeltjes herschikken zichzelf onder stress, waardoor verknopingen tussen verschillende fibrillen ontstaan. Deze verknopingen hebben de neiging het polymeer te stabiliseren, waardoor een geleidelijke in plaats van een abrupte overgang naar breuk veroorzaakt. Credit: L. Zhang et al.
Wetenschappers hebben een op nanodeeltjes geïnspireerde oplossing gevonden voor het eeuwenoude sterkte van polymeerglazen. Het kruiden van het polymeerglasrecept met nanodeeltjes met één keten, die kleine, opgevouwen polymeerstrengen zijn, kunnen het glas sterker, strengder en gemakkelijker te verwerken maken door als versterkingen te fungeren.
In een studie gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrievenonderzoekers uit China hebben deze problemen overwonnen met behulp van nanodeeltjes gemaakt van gebalde single-chain polymeren (SCNP’s). Volgens de onderzoekers opent hun aanpak een nieuw pad voor het creëren van geavanceerde polymeerglazen die sterkte, taaiheid en verwerkbaarheid combineren op manieren die eerder onverenigbaar waren.
Polymeerglas, ook bekend als plexiglas, wordt veel gebruikt voor het maken van bril en behuizingen voor aquaria en musea. Al tientallen jaren zoeken onderzoekers manieren om de mechanische eigenschappen van plexiglas te verbeteren, met een primaire focus op het verbeteren van de sterkte en taaiheid ervan.
Sterkte is het stressniveau waarop een materiaal begint te vervormen. Taaiheid meet de hoeveelheid energie die het kan absorberen vóór het breken.
Een sterk materiaal kan een hoge stress weerstaan, maar kan plotseling zonder waarschuwing falen, terwijl een taai materiaal bestand is tegen fractuur door vervorming te vervormen, stress te herverdelen en de groei van de scheur uit te stellen.
Praktische toepassingen van plexiglass -eis beide eigenschappen, dus wetenschappers hebben al lang geprobeerd sterkte en taaiheid in één materiaal te combineren. Ze komen echter vaak de afweging van de kracht-stevigheid tegen. Deze aandoening bepaalt dat het verbeteren van de ene eigenschap de andere meestal erger maakt, met sterkere materialen die de neiging hebben om bros te worden en strengere materialen vaak sterker worden.
Het toevoegen van nanodeeltjes met één keten maakt plexiglas sterker en moeilijker. Credit: Zeeshan Ahmad van Pixabay
Eerdere pogingen om de kracht en taaiheid te verbeteren, waren het toevoegen van rigide nanokristallen, wat de viscositeit verhoogde en de verwerking moeilijk maakte. Dit creëerde een frustrerend trilemma waarbij het verbeteren van twee van deze eigenschappen ten koste ging van de derde.
Voor deze studie mengden de onderzoekers nanodeeltjes met één keten (SCNP’s) in een poly (ethylmethacrylaat) matrix met behulp van twee benaderingen: eenvoudige mengen en chemische verknoping.
Ze testten de materialen op sterkte, taaiheid en smeltviscositeit en gebruikten elektronenmicroscopie om de verdeling van de SCNP’s in de plexiglass -matrix te visualiseren. Om de mechanismen te begrijpen, omvatten ze ook moleculaire dynamica -simulaties.
De resultaten bevestigden dat de SCNP’s gelijkmatig waren verdeeld en een hogere glasovergangstemperatuur vertoonden dan de omringende matrix.
Tijdens het uitrekken bewoog de SCNP’s zich rond en vormden stabiliserende banden tussen microscopische fibrillen in de plexiglas. Dit gedrag helpt de breuk en het crajeren uit te stellen-de vorming van kleine, scheurachtige patronen die zich meestal verspreiden en leiden tot breuk-waardoor het materiaal veel beter bestand is tegen breken.
De mobiele aard van de SCNP’s bleek cruciaal, omdat hun vervormbare oppervlakken polymeerketens konden doordringen en erlangs schuiven, als interne smeermiddelen die de smeltviscositeit verminderden. Samen verbreken deze fenomenen via SCNP’s de traditionele afweging, waardoor het polymeerglas sterker, strengder en gemakkelijker te verwerken wordt.
Voor u geschreven door onze auteur Sanjukta Mondalbewerkt door Sadie Harleyen feiten gecontroleerd en beoordeeld door Robert Egan– Dit artikel is het resultaat van zorgvuldig menselijk werk. We vertrouwen op lezers zoals jij om onafhankelijke wetenschapsjournalistiek levend te houden. Als deze rapportage voor u belangrijk is, overweeg dan een schenking (vooral maandelijks). Je krijgt een advertentievrij account als een bedankje.
Meer informatie:
Lei Zhang et al, nanodeeltjes met één keten verbreken de sterkte-stoere-processable trilemma in polymeerglazen, Fysieke beoordelingsbrieven (2025). Doi: 10.1103/nm5Z-2HXM
Dagboekinformatie:
Fysieke beoordelingsbrieven