En mikroskopisk polymer i form av ett gemensamt köksredskap kan ge industrin utsökt kontroll över beläggningarna.

Flaskborste -sampolymerer har länge varit ett ämne för studier för Rafael Verduzco, en kemisk och biomolekylär ingenjör vid Rice University's Brown School of Engineering. Nu, han och hans medarbetare har utvecklat modeller och metoder för att förfina ytbeläggningar för att göra dem, till exempel, mer vattentät eller mer ledande.

Forskarna upptäckte att flaskborstar blandade med linjära polymerer tenderar att migrera till toppen och botten av en tunn film när den torkar. Dessa filmer, som beläggningar, finns överallt i produkter, till exempel som vattentäta lager för att hålla metaller från att rosta eller tyger från att färgas.

När migrationen sker, de linjära polymererna håller mitten medan flaskborstarna dras till luften ovanför eller underlaget under. Detta, Verduzco sa, kopplar effektivt bort beläggningens egenskaper från dess exponerade ytor.

Beräkningsmodeller och experiment visade att variationer i själva flaskborsten kunde användas för att kontrollera ytegenskaper.

Flaskborstpolymerer är fortfarande utmanande att göra i bulk, Verduzco sa, men deras potentiella användningsområden är enorma. Ansökningar kan inkludera läkemedelsleverans via funktionaliserade flaskborstar som bildar miceller, smörjmedel, mjuka elastomerer, antifouling-filter och ytor som läker sig själva, han sa.

Detaljerna visas i American Chemical Society journal Makromolekyler .

Rislabbet, med hjälp av kamrater vid University of Tennessee, Knoxville; Oak Ridge National Laboratory och University of Houston, kännetecknade olika flaskborstar av polystyren och poly (metylmetakrylat) (aka PMMA) medan de studerade vad som fick polymererna att migrera.

Liknar deras makrokökskusiner (liksom vissa blommor), flaskborstar består av små polymerkedjor som strålar utåt från en linjär polymerstav. Flaskborstarna monteras själv i en lösning, som kan manipuleras för att justera sina egenskaper.

Beläggningar är allestädes närvarande, Sa Verduzco. "Om vi ​​inte hade rätt beläggningar, våra material skulle försämras snabbt, "sa han." De skulle reagera på sätt vi inte vill att de ska göra. Så att belägga en yta är vanligtvis en separat process; du gör något och sedan måste du hitta ett sätt att lägga en beläggning ovanpå det.

"Det vi tittar på är en slags universell tillsats, en molekyl som du kan blanda med vad du än gör som spontant kommer till ytan eller gränssnittet, sa han. Det var så vi slutade använda flaskborstar.

Flaskborstar kan ställas in genom att variera antalet sidokedjor, deras längd eller längden på ryggradspolymeren, Sa Verduzco. Själva sidokedjorna kan vara av blandad typ, och små molekyler eller proteiner kan tillsättas till deras slutgrupper.

"Kemien hos dessa material är tillräckligt avancerad för att du kan sätta i stort sett vilken typ av polymer som helst av dessa borst på sidokedjan, sa han. Du kan ordna dem i olika ordning.

Forskarna fann att entropisk och entalpisk termodynamik drev flaskborstar nästan helt bort från filmens inre och mot gränssnitten när de torkade. Även där linjära polymerer utformades för att para ihop med ytgränssnittet, flaskborstarna steg fortfarande upp till den utsatta ytan.

Verduzco noterade att resultaten gjordes möjliga vid tidpunkten för flygsekundär jonmasspektrometer som förvärvades av Rice 2018 genom ett National Science Foundation-bidrag. Spektrometern tillät forskarna att inte bara karakterisera ytan av beläggningar genom att bombardera dem med joner, men också hur beläggningar förändrades när mikroskopiska lager avlägsnades uppifrån och ner.