Ali Gooneie simulerar på sin dator det som håller ihop världen i själva kärnan:atomer, molekyler, molekylkedjor och buntar – sedan klumpar och fibrer, som framgår av dessa. Med sina beräkningar, Empa-forskaren kan också förklara egenskaper vi kan känna med fingertopparna:släta och grova ytor, flexibla och styva material, värmeledande ämnen och isolatorer.

Många av dessa egenskaper har sitt ursprung djupt inne i materialen. metall eller trä, plast eller keramik, sten eller gel — alla dessa har undersökts många gånger tidigare. Dock, hur är det med kompositmaterial? Hur uppstår egenskaperna hos sådana material och hur kan de ändras på ett önskat sätt? Det räcker inte längre med en tråkig trial-and-error-metod i labbet i dagens snabba forskningsmiljö. Nu för tiden, du behöver datorstödda förutsägelser för att snabbt kunna bestämma vilken experimentväg du ska ta.

Gooneie är en av många datorsimuleringsexperter som arbetar i olika forskningslabb på Empa. Han studerade polymerteknologi vid Amirkabir tekniska universitet i Teheran och doktorerade vid universitetet i Leoben i Österrike. "Även om jag efter min ingenjörsexamen fördjupade mig allt djupare i fysikformlervärlden, Jag tappade aldrig kontakten med den verkliga världen, " säger han. "För mig, simuleringar är inte ett mål i sig. Jag använder dem för att förklara effekterna vi observerar i material."

Hur känns ett hår? Och över allt, Varför?

För att förstå exakt vad Gooneie beräknar, det är värt att överväga ett biologiskt polymerkompositfibermaterial som vi alla känner mycket väl:hår. Nytvättad, det känns mjukt och smidigt. När det är torrt, det sprakar som elektricitet; och när det är blött, det gnisslar som gummi. Vi kan klippa det, dra ut det, sjunga det, tillåta det, bleka den och föna den. Men var kommer alla dessa egenskaper ifrån?

Håret består av individuella aminosyror, som kombineras för att bilda långkedjiga proteiner som kallas keratiner. Dessa långa keratinmolekyler binder till trådar och fiberknippen. Ett komplex gjort av cellmembran cementerar dessa fiberknippen tillsammans. Dessa fiberknippen är omslutna av flera lager av döda hornfjäll som ligger förskjutna ovanpå varandra som fjällen på en kotte. Därför, hårets egenskaper skulle vara oförklarliga om bara de grundläggande kemiska byggstenarna – aminosyrorna – beaktades. Att förstå den övergripande strukturen är avgörande.

Så låt oss, i våra sinnen, zooma ut den kemiska strukturen och se molekylerna endast som kulor, som är sammankopplade som på ett pärlhalsband. Nu bestäms bilden inte längre av kemi, men av dessa pärlkedjors kollisioner och friktionseffekter. Experter använder grova matematiska modeller för sina beräkningar.

Så småningom, vi kommer till en dimension som vi kan se och känna:millimeterområdet, där hår anses vara ett homogent material – den fina strukturen är inte längre viktig. Materialets makroskopiska egenskaper kan beskrivas och förutsägas med hjälp av "finita element-metoden".

Detaljerad förståelse av fibrer

Tills för bara några år sedan, det fanns inget sådant flerdimensionellt tillvägagångssätt inom polymerkompositsektorn. Med sin forskning vid universitetet i Leoben, Ali Gooneie hade förfinat detta tillvägagångssätt, vilket gjorde honom till en perfekt passform för Empa. Simuleringsexperten flyttade till St. Gallen och bedriver nu forskning i Empas Advance Fibers-labb under Manfred Heuberger.

Ett av Heubergers forskningsmål är att förädla syntetiska fibrer – ett ekonomiskt viktigt ämne:Dessa dagar, cirka två tredjedelar av alla fibrer som används i världen är syntetiskt framställda. En syntetfiber är betydligt mer än en fin plastfilament. De blir bara "fibrer" om deras molekylära struktur bestående av små kristaller och inriktade molekyler är inriktad på de önskade egenskaperna - såsom flexibilitet eller fasthet. Endast om fiberstrukturen är känd från nanometer- till mikrometerskalan kan produktens egenskaper ställas in specifikt under bearbetningen.

Konduktiva polymerkompositer

Gooneie har redan övervakat flera projekt. Till exempel, en var inriktad på att bädda in kolnanorör (CNT) i en polyamidmatris. Vid rätt dosering, CNT kan ge ett syntetiskt material elektrisk ledningsförmåga - vilket gör detta material intressant för solcellsindustrin, till exempel. Men vad är den perfekta mängden nanorör att blandas i? Ska rören vara lika långa eller skulle en blandning av längder ge bättre resultat?

Än så länge, det har varit vanligt att kompositforskare har begränsat och löst problemet med en serie experiment. Ali Gooneie, dock, tacklar problemet från en teoretisk vinkel och använder sina flerdimensionella simuleringsmetoder. Lösningen han kom på:En blandning av CNT med olika längder ger elektrisk ledningsförmåga snabbast. I sista hand, han lyckades förutsäga vägen, där nanorören är ordnade i polymeren – oavsett hastighet, med vilken bearbetningen sker.

Samtidigt gjordes beräkningarna, forskarna satte igång sitt första experiment:I en varm extruder vid 245 grader Celsius, de blandade nanorör i olika proportioner i polyamidmatrisen. Det visade sig att en inblandning av 0,15 viktprocent gav bäst resultat vad gäller elektrisk ledningsförmåga. Hand i hand med laboratorieexperiment, tillämpad matematik gav en elegant lösning på problemet.

Skonsam PET-återvinning

Simuleringsberäkningar kan också åstadkomma mycket i återvinningsprojekt. Schweizarna samlade nästan 48, 000 ton PET-flaskor under 2018. Från detta, industrin fick 35, 000 ton återvunnen PET. Syntetmaterialet är mycket eftertraktat då det är mekaniskt fjädrande, luft- och gastät, och tål höga temperaturer. Dock, PET kan inte återvinnas ett obegränsat antal gånger. Om materialet smälts om för ofta, kemiska reaktioner äger rum i materialet:Molekylerna oxiderar, tvärbinder och bildar klumpar, och materialet blir trögflytande och genomskinligt.

En tillsats som heter DOPO-PEPA kan förändra allt detta. Faktiskt, materialet är ett flamskyddsmedel utvecklat av Empa-forskaren Sabyasachi Gaan, även i Advance Fibers-labbet. Nu vill forskarna undersöka om det också kan fungera som smörjmedel och konserveringsmedel för PET-återvinning. Gooneie började med att uppskatta om DOPO-PEPA överhuvudtaget kan blandas in i PET vid avsedd temperatur. Sedan räknade han ut hur pärlhalsbandet av PET-molekyler skulle röra sig i smältan, hur DOPO-PEPA-molekylerna skulle klämma sig mellan dem, och när en jämvikt skulle uppstå i blandningen.

Resultatet:En inblandning av några procent DOPO-PEPA är redan tillräckligt för att återvunnen PET ska flyta bra. Tack vare högre matematik på Empa, återvinning kommer snart att fungera mycket smidigare.