• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  •  science >> Vetenskap >  >> Kemi
    En ny, snabbare sätt att bearbeta diblockpolymermaterial

    Den blå änden av varje kedja är löslig i vatten, medan den gula änden inte är det. De gula ändarna samlas i ett försök att separera från vattnet. Dessa bollformade kluster kallas miceller. Kredit:Connor Valentine

    Forskare upptäckte nyligen ett bättre sätt att göra en ny klass av mjuka material – vilket minskade en process som brukade ta fem månader ner till tre minuter.

    Connor Valentine, en kemiteknisk doktorsexamen studerande, och Lynn Walker, professor i kemiteknik, arbeta med diblockpolymerer. Diblockpolymerer är kedjeliknande molekyler där ena änden av kedjan är hydrofob, och den andra är hydrofil. Molekyler som denna används i tvål eftersom den hydrofoba sidan griper tag i smuts och olja, men den hydrofila sidan håller molekylerna lösta i vattnet.

    När dessa molekyler placeras i vatten i tillräckligt höga koncentrationer, de börjar bilda kluster:De hydrofila delarna klumpar ihop sig i mitten av bollen för att undvika fukt. De hydrofoba sidorna arrangeras i ett borstliknande lager på utsidan av bollen, skyddar det hydrofoba centret.

    Dock, när du lägger till fler polymerer i vattnet, de börjar få ont om utrymme och staplar sig intelligent och spontant. Det skulle vara som om du försökte få plats med det maximala antalet tennisbollar i en låda – du skulle noggrant stapla varje lager.

    Polymeraggregaten bildar sfärer, som packas tätt i lager vid höga koncentrationer. Cirka 40 viktprocent av detta prov är vatten. Kredit:Connor Valentine

    När de bildar dessa staplar, de kallas kristaller eftersom de organisatoriska mönstren kommer att upprepas om och om igen i alla riktningar. Kristallina strukturer som denna finns i hela naturen, inklusive i ädelstenar, metaller, och polymera material. Människor har utnyttjat det upprepade och konsekventa avståndet för att skapa polymera membran för att filtrera vatten och gaser. Det finns också spännande potentiella användningsområden för nya mjuka material, med applikationer som inkluderar medicinska implantat, lim, hållbara livsmedelsförpackningar, flytande skönhetsprodukter, och även kryddor.

    Två kristallina faser som finns i de disegmentpolymermaterial som används i detta arbete. Med rätt värme- och skjuvbehandling, dessa "enhetsceller" kan upprepa hundratusentals gånger i alla riktningar i perfekt symmetri. Upphovsman:Connor Valentine

    Dock, problemet kommer in när forskare försöker göra specifika kristallina strukturer. Ingenjörer måste kunna konsekvent producera kristaller med specifika arrangemang och storlekar för att uppnå önskad materialprestanda i marknadsskala. Dock, bearbetningsproblem kan uppstå när de inte helt förstår krafterna som driver kristallbildningen. Fel temperaturändring, blandningshastighet, eller formulering kan orsaka att kristaller plötsligt bildas, degradera, eller övergång till en annan kristallin organisation. Den åtföljande förändringen i materialegenskaper kan sylta blandare, förstöra utrustning, och resultera i en värdelös slutprodukt.

    I det här arbetet, det önskade kristallina tillståndet kan ta månader att bilda vid rumstemperatur. Denna faktor kan orsaka enorma problem, med företag som upptäcker att de har en produkt med helt andra egenskaper efter tre månader – den kanske är chunky, eller så har den blivit stel – eller så måste företaget vänta tre månader på att sälja sin produkt eftersom det tar så lång tid att få den gelkonsistens de önskar.

    "Det är viktigt för människor att förstå hur dessa polymermolekyler kommer att förvandlas till kristaller, " säger Valentine. "Och det är inte bara om de förvandlas till den kristall de vill ha; det är takten på det, farten. Också, kommer det att finnas andra kristallfaser? Kommer varje del av det kristallina materialet att orienteras konsekvent?"

    Valentine och Walker arbetade med medarbetare från University of Minnesota, som upptäckte att hastigheten för uppvärmning och kylning kan producera mellanliggande kristallstrukturer som håller i flera månader. Valentines team byggde på sina medarbetares arbete och undersökte effekten av skjuvbearbetning på dessa kristallstrukturer. Skjuvbearbetning är ett brett begrepp som inkluderar steg som blandning, målning, beläggning, och skakar – materialet rör sig. Farten, varaktighet, och skjuvriktning kan verkligen ha betydelse för material som de som används i detta arbete.

    Samarbetspartners från University of Minnesota visade i en tidigare uppsats att denna kristallstrukturövergång kan ta upp till fem månader efter uppvärmning och kylning. Kredit:Connor Valentine

    "Ketchup är ett bra exempel på varför skjuvbearbetning påverkar mjuka material eftersom ketchup har en sträckgräns och tunnar ut när du blandar eller bearbetar den, " förklarar Valentine. "Om du försöker få ketchup ur en glasflaska och den är gel eller fast-liknande, det kommer inte att flyta. Men små kranar (på rätt del av flaskan) kommer att få ketchupen att flyta väldigt fint. Skjuven förändrar ketchupens mikrostruktur, vilket sedan ändrar flödesegenskaperna. Det är viktigt att vi förstår hur skjuvning påverkar alla material vi arbetar med på samma sätt."

    I det här arbetet, författarna använde ett oscillerande skjuvflöde, vilket innebär att gelén eller det mjuka materialet placeras mellan två parallella plattor – där toppplattan kan rotera fram och tillbaka. Forskare kan kontrollera hastigheten och längden på topplattan. När Valentine och hans team placerade diblockpolymerkristallerna i denna skjuvcell, de kunde få den kristallina fasen att ändras till jämviktsstrukturen inom tre minuter. Minnesota-teamet hade tidigare funnit att samma strukturella förändring tar nästan fem månader att sitta i rumstemperatur utan skjuvning.

    Valentine och hans team kunde visa att skjuvbearbetning kan användas för att kontrollera hastigheten för samma övergång, påskynda det att ske på så lite som tre minuter. Kredit:Connor Valentine

    "Skjuvbearbetning kan hjälpa till med dynamiken, farten, och takten för strukturförändringar, inte bara det slutliga resultatet, vilket är något folk inte riktigt tänker på, " säger Valentine. "De tänker ofta när du klipper dessa material, det kommer att förändra strukturen till något annat, men det är inte nödvändigtvis sant."

    Teamet mätte dessa resultat genom att besöka Advanced Photon Source Synchrotron-acceleratorn vid Argonne National Laboratory, som i huvudsak är en milsvid partikelaccelerator. Elektroner accelereras runt anläggningens cirkel med nästan ljusets hastighet. Varje gång de vänder sig, en röntgenstråle lämnar cirkeln. De använde dessa högintensiva röntgenstrålar för att mäta kristallstrukturen i realtid.

    Deras resultat, publiceras i ACS makrobokstäver , visade att hastighetsökningen inträffar och detaljerade hur man justerar skjuvningsparametrarna för att uppnå önskad hastighet av kristallbildning. De fann till och med att du kan förhindra att förändringen sker helt om skjuvningen är vid mycket låga frekvenser med mycket långa svängningscykler.

    "Vi kunde visa att detta skjuvningsbearbetningssteg bara är ett mycket kontrollerbart sätt att få den struktur du vill ha och hur snabbt du vill ha den, säger Valentine.

    Forskningen var i samarbete med Ashish Jayaraman och Mahesh K. Mahanthappa, båda vid University of Minnesota.


    © Vetenskap https://sv.scienceaq.com