Forskare vid College of Science och College of Engineering har upptäckt att en höghållfast polymer som kallas "PBDT" har en sällsynt dubbelhelixstruktur, öppna möjligheter för användning i en mängd olika applikationer.

Denna upptäckt, nyligen publicerad i Naturkommunikation , kommer som en förlängning av utvecklingen av en polymerjongel, som lovar att överträffa konventionella brandfarliga flytande batterielektrolyter. Nu, utrustad med bevis på dubbelspiralstrukturen, potentialen för detta högpresterande material sträcker sig långt bortom batterier.

"Denna polymer har funnits i 30 år, och ingen hade kommit på att det är en dubbelspiral, sa docent i kemi Lou Madsen, som ledde denna forskning. "Dubbla spiraler i syntetiska system är i princip ovanliga."

Madsen ledde ett internationellt samarbete, som inkluderade Virginia Tech-professorerna Rui Qiao (mekanikteknik) och Robert Moore (kemi), samt Theo Dingemans vid University of North Carolina vid Chapel Hill och Bernd Ensing vid University of Amsterdam i Nederländerna. Alla tre Virginia Tech-professorerna är knutna till Macromolecules Innovation Institute.

Styvhet kan hjälpa nya kompositer

Kompositer är tekniska material som binder flera komponenter för att skapa en ny uppsättning förbättrade egenskaper.

Däck och moderna flygkroppar är exempel på kompositer. De kräver ett kärnmaterial, som gummi i exemplet med däck, att blandas med andra material, såsom förstärkande fiberfyllmedel, för extra styrka.

Madsen och hans team hade redan 2016 visat att PBDT kunde blandas med flytande joner för att skapa en fast batterielektrolyt.

"Innan vi var säkra på den här dubbla helixen, vi upptäckte att PBDT kunde blandas med flytande joner och göra denna elektrolyt som har mycket god ledningsförmåga och som också är mekaniskt styv, " sa Madsen. "Vi gjorde något med PBDT, men vi ville veta varför det fungerar så bra. Vi hade bevis för att det var en dubbelspiral men hade inte uppskattat de flesta av dess egenskaper."

Dubbla helixstrukturer, som DNA, är välkända i naturen, och de har hög böjstyvhet. DNA har en diameter på cirka 2,5 nanometer och är stel upp till cirka 50 nanometer i längd, där det börjar böjas. Det skapar ett "styvhetsförhållande" på cirka 20 till 1, liknar en morotsstav.

I jämförelse, PBDT har ett styvhetsförhållande på 1, 000 till 1, vilket gör den till en av de styvare molekylerna som hittills upptäckts.

Polymerens överlägsna styvhet innebär att endast en bråkdel av den skulle behövas för att uppnå jämförbar prestanda med konventionella förstärkande fyllmedel. Vidare, processen för att skapa den är extremt billig och enkel.

"Om du använder konventionella fyllmedel i en komposit, du kan använda 10 procent för att få de egenskaper du vill ha, Madsen sa. "Men PBDT har denna långa styvhetslängd och en liten diameter. Det betyder att du kanske bara behöver lägga in 1 eller 2 procent för att få ett material som är mycket förbättrat."

Från röntgenstrålar och DNA till beräkningsmodellering

Tillbaka 2014, Madsen och hans Ph.D. Student Ying Wang hade trott att polymeren var en dubbelspiral men hade inga stabila bevis. De började sedan röntgenstudier på PBDT, liknande de studier som Rosalind Franklin genomförde på DNA i början av 1950-talet som ledde till upptäckten av DNA-dubbelhelixen. Säker nog, PBDT-röntgen liknade Franklins DNA-röntgen. De använde vidare en teknik som liknar MRT för att stärka sina bevis.

Madsen vände sig sedan till Ensing i Holland och sedan till Qiao på Virginia Tech för att få hjälp med att förstå polymeren med beräkningsmodeller.

Qiao sa att han till en början inte trodde att simuleringen ens skulle fungera.

"En simulering av en självmontering för att bilda en dubbel spiralformad struktur - jag hade aldrig hört talas om det förutom att folk hade gjort det för DNA, " sa Qiao. "Men för den här typen av simulering, det är väldigt svårt. Min elev försökte ändå och mirakulöst nog fungerade det. Vi provade en massa olika förhållanden, olika sätt att köra simuleringar, men resultaten var robusta, vilket gav oss lite förtroende för att det är en riktig dubbelhelix."

Bekräftelsen av dubbelspiralstrukturen öppnar möjligheter för PBDT:s potentiella tillämpning bortom batterielektrolyter, som lätta flygmaterial.

"Tillämpningen av detta kommer verkligen att begränsas av vår fantasi, " sa Qiao. "Nu har vi en ny sorts legobit. När fler människor hör om detta material, de kommer att komma på sitt eget sätt att använda det. Vad kommer egentligen att komma ut av det, vi kanske inte föreställer oss idag."