Plast, sudd, och många andra användbara material är gjorda av polymerer-långa kedjor arrangerade i ett tvärbundet nätverk. På molekylär nivå, dessa polymernätverk innehåller strukturella brister som försvagar dem.

Många år sedan, MIT -forskare var de första som mätte vissa typer av dessa defekter, kallas "slingor, "som orsakas när en kedja i polymernätverket binder till sig själv istället för en annan kedja. Nu, samma forskare har hittat ett enkelt sätt att minska antalet slingor i ett polymernätverk och på så sätt stärka material tillverkade av polymerer.

För att uppnå detta, forskarna lägger helt enkelt en av komponenterna i polymernätverket mycket långsamt till en stor mängd av den andra komponenten. Med denna metod, de kunde halvera antalet slingor i en mängd olika polymera nätverksstrukturer. Detta kan erbjuda ett enkelt sätt för tillverkare av industriellt användbara material som plast eller geler att stärka sina material.

"Bara genom att ändra hur snabbt du lägger till en komponent till den andra, du kan förbättra de mekaniska egenskaperna, "säger Jeremiah A. Johnson, Firmenich Career Development Associate Professor i kemi vid MIT och seniorförfattare till tidningen.

MIT -doktorand Yuwei Gu är den första författaren till tidningen, som visas i Förfaranden från National Academy of Sciences veckan den 24 april.

Andra författare är MIT -docent i kemiteknik Bradley Olsen; MIT -doktorand Ken Kawamoto; tidigare MIT postdocs Mingjiang Zhong och Mao Chen; Case Western Reserve University biträdande professor Michael Hore; Case Western Reserve doktorand Alex Jordan; och tidigare MIT -gästprofessor och Case Western Reserve docent LaShanda Korley.

Kontrollera slingor

Under 2012, Johnsons grupp utarbetade det första sättet att mäta antalet slingor i ett polymernätverk och validerade resultaten med teoretiska förutsägelser från Olsen. Forskarna fann att slingorna kan utgöra cirka 9 procent till nästan 100 procent av nätverket, beroende på koncentrationen av polymerkedjor i utgångsmaterialet och andra faktorer.

Några år senare, Johnson och Olsen utvecklade ett sätt att beräkna hur mycket dessa slingor försvagar ett material. I deras senaste arbete, de bestämde sig för att minska slingbildning, och för att uppnå detta utan att ändra sammansättningen av materialen.

"Målet vi satte upp för oss själva var att ta samma uppsättning föregångare för ett material som man normalt skulle använda, och, använder exakt samma prekursorer under samma förhållanden och vid samma koncentration, göra ett material med färre slingor, "Säger Johnson.

I det här pappret, forskarna fokuserade först på en typ av polymerstruktur känd som ett stjärnpolymernätverk. Detta material har två olika byggstenar:en stjärna med fyra identiska armar, känd som "B4, "och en kedja som kallas" A2. "Varje molekyl av A2 fäster vid slutet av en av B4 -armarna. Men under den typiska syntesprocessen, när allt blandas ihop på en gång, några av A2 -kedjorna slutar binda till två av B4 -armarna, bildar en slinga.

Forskarna fann att om de tillsatte B4 mycket långsamt till en lösning av A2, var och en av B4 -armarna skulle snabbt reagera med en enda molekyl av A2, så det fanns mindre möjlighet för A2 att bilda slingor.

Efter några timmar att långsamt tillsätta hälften av B4 -lösningen, de lade till den andra halvan på en gång, och de stjärnformade underenheterna sammanfogade för att bilda ett tvärbundet nätverk. Detta material, fann forskarna, hade ungefär hälften så många slingor som samma material som producerats med den traditionella syntesprocessen.

Beroende på hur många slingor som fanns i originalmaterialet, denna "långsamma sedan snabba" strategi kan förbättra materialets styrka med så mycket som 600 procent, Säger Johnson.

Bättre produkter

Forskarna försökte också denna teknik med fyra andra typer av syntesen av polymernätverk. De kunde inte mäta antalet slingor för alla dessa typer av polymerer, men de hittade liknande förbättringar i materialets styrka.

Detta tillvägagångssätt kan potentiellt bidra till att förbättra styrkan hos alla material som är gjorda av en gel eller annan tvärbunden polymer, inklusive plast, membran för vattenrening, lim av epoxi, eller hydrogeler såsom kontaktlinser.

Johnsons labb arbetar nu med att tillämpa denna strategi på en mängd olika material, inklusive geler som används för att odla celler för vävnadsteknik.