Forskare vid Columbia Engineering har för första gången demonstrerat en ny teknik som hämtar sin inspiration från ostronskal, ett kompositmaterial som har extraordinära mekaniska egenskaper, inklusive stor styrka och motståndskraft. Genom att ändra kristallisationshastigheten för en polymer som initialt är väl blandad med nanopartiklar, teamet kunde kontrollera hur nanopartiklarna självmonteras till strukturer i tre mycket olika längdskalaregimer. Denna multiskala ordning kan göra basmaterialet nästan en storleksordning styvare samtidigt som man behåller den önskade deformerbarheten och det lätta beteendet hos de polymera materialen. Studien, ledd av Sanat Kumar, Bykhovsky professor i kemiteknik, publiceras 7 juni online i ACS Central Science .

"Väsentligen, vi har skapat en ettstegsmetod för att bygga ett kompositmaterial som är betydligt starkare än värdmaterialet, säger Kumar, en expert på polymerdynamik och självmontering. "Vår teknik kan förbättra de mekaniska och potentiellt andra fysiska egenskaperna hos kommersiellt relevanta plastmaterial, med applikationer i bilar, skyddande beläggningar, och mat-/dryckesförpackningar, saker vi använder varje dag. Och, ser längre fram, vi kanske också kan producera intressanta elektroniska eller optiska egenskaper hos nanokompositmaterialen, potentiellt möjliggör tillverkning av nya material och funktionella enheter som kan användas i strukturella tillämpningar som byggnader, men med förmågan att övervaka sin hälsa på plats."

Cirka 75 procent av kommersiellt använda polymerer, inklusive polyeten som används för förpackningar och polypropen för flaskor, är halvkristallina. Dessa material har låg mekanisk hållfasthet och kan därför inte användas för många avancerade applikationer, till exempel bilar som däck, fanbälten, stötfångare, etc. Forskare har känt i decennier, tillbaka till början av 1900 -talet, den varierande nanopartikeldispersionen i polymer, metall, och keramiska matriser kan dramatiskt förbättra materialegenskaperna. Ett bra exempel i naturen är pärlemor, som är 95 procent oorganisk aragonit och 5 procent kristallin polymer (kitin); dess hierarkiska nanopartikelordning - en blandning av interkalerade spröda trombocyter och tunna lager elastiska biopolymerer - förbättrar kraftigt dess mekaniska egenskaper. Dessutom, parallella aragonitskikt, hålls samman av ett nanoskala (? 10 nm tjockt) kristallint biopolymerskikt, bildar "tegelstenar" som sedan sätts ihop till "tegel-och-murbruk"-överbyggnader i mikrometerskala och större. Denna struktur, i flera längdstorlekar, ökar kraftigt dess seghet.

"Medan att uppnå den spontana sammansättningen av nanopartiklar till en hierarki av skalor i en polymervärd har det varit en "helig gral" inom nanovetenskap, hittills har det inte funnits någon etablerad metod för att uppnå detta mål, " säger Dan Zhao, Kumars doktorand och första författare på detta papper. "Vi tog oss an denna utmaning genom de kontrollerade, flerskalig montering av nanopartiklar genom att utnyttja kinetiken för polymerkristallisation."

Medan forskare som fokuserar på polymernanokompositer har uppnått enkel kontroll av nanopartikelorganisationen i en amorf polymermatris (dvs polymeren kristalliserar inte), hittills har ingen kunnat ställa in nanopartikelsammansättningen i en kristallin polymermatris. Ett relaterat tillvägagångssätt förlitade sig på ismallning. Med denna teknik, utredare har kristalliserat små molekyler (främst vatten) för att organisera kolloidpartiklar, men, på grund av den inneboende kinetiken för dessa processer, partiklarna drivs normalt ut i mikroskalans korngränser, och så forskare har inte kunnat beställa nanopartiklar över de flera skalor som är nödvändiga för att efterlikna pärlemor.

Kumars grupp, experter på att ställa in strukturen och därför egenskaperna hos polymer nanokompositer, hittade det, genom att blanda nanopartiklar i en lösning av polymerer (polyetylenoxid) och ändra kristallisationshastigheten genom att variera graden av underkylning (nämligen hur långt under smältpunkten kristallisationen genomfördes), de kunde styra hur nanopartiklarna självmonterade i tre olika skalregimer:nano, mikro, och makrometer. Varje nanopartikel täcktes jämnt av polymererna och fördelades jämnt innan kristalliseringsprocessen började. Nanopartiklarna monterades sedan till ark (10-100 nm) och arken till aggregat i mikroskalan (1-10 μm) när polymeren kristalliserades.

"Denna kontrollerade självmontering är viktig eftersom den förbättrar materialens styvhet samtidigt som de håller dem hårda, " säger Kumar. "Och materialen behåller den låga densiteten hos den rena semikristallina polymeren så att vi kan hålla vikten av en strukturell komponent låg, en egendom som är kritisk för applikationer som bilar och flygplan, där vikt är en avgörande faktor. Med vårt mångsidiga tillvägagångssätt, Vi kan variera antingen partikeln eller polymeren för att uppnå specifikt materialbeteende eller enhetens prestanda. "

Kumars team planerar nästa att undersöka grunderna som gör det möjligt för partiklar att röra sig mot vissa regioner i systemet, och att utveckla metoder för att påskynda kinetiken för partikelordning, som för närvarande tar några dagar. De planerar sedan att utforska andra applikationsdrivna polymer/partikelsystem, såsom polylaktid/nanopartikelsystem som kan konstrueras som nästa generations biologiskt nedbrytbara och hållbara polymernanokompositer, och polyeten/kiseldioxid, som används i bilstötfångare, byggnader, och broar.

"Möjligheten att ersätta strukturella material med dessa nya kompositer kan ha en djupgående effekt på hållbara material såväl som vår nations infrastruktur, " säger Kumar.