Arméforskare nådde ett genombrott i den framväxande vetenskapen om tvådimensionella polymerer tack vare ett samarbetsprogram som tar hjälp av ledande forskare och ingenjörer i hela akademin som kallas gemensamma fakultetsutnämningar.

Forskare från US Army Combat Capabilities Development Command, numera känd som DEVCOM, Army Research Laboratory samarbetade med professor Steve Lustig, en gemensam fakultetsutnämning vid Northeastern University, för att påskynda utvecklingen av 2-D-polymerer för militära tillämpningar.

Samarbetet med ARL Northeast ledde till en banbrytande studie som publicerades i den vetenskapliga tidskriften Makromolekyler . Redaktörer presenterade forskningen i en omslagsartikel.

"2-D-polymerer har studerats mycket seriöst ur syntetisk synvinkel i bara cirka 10 år, "sa Dr Eric Wetzel, forskningsområdesledare för soldatmaterial vid laboratoriet. "De representerar en ny, relativt outforskad materialklass med enorm potential. "

Enligt Wetzel, 2-D-polymerer har en mycket repeterbar, symmetriskt mönster som liknar "kycklingtråd, "som ger tillgång till fler strukturella förbättringar jämfört med endimensionella, linjära polymerer som Kevlar.

I ett försök att mäta den fulla potentialen hos dessa material, Arméforskare har börjat beräkningsdesigna 2-D-polymerer i hopp om att de kan utveckla ett överlägset alternativ till konventionella aramidfibrer för applikationer som rustningar och brandresistenta kläder.

Professor Steve Lustig, en gemensam fakultetsutnämning vid Northeastern University, använder sin branscherfarenhet med DuPont för att hjälpa arméforskare att beräkna miljöhållbarheten hos simulerade 2-D-polymerer.

För att korrekt skapa en 2-D-polymer som tål verkliga förhållanden, Arméforskare sökte hjälp av Lustig, som tidigare arbetat på DuPont Central Research &Development i över två decennier innan han blev docent med tjänstgöring vid Northeastern University.

"Tanken med 2-D-polymerprojektet är i huvudsak att göra en 2-D-version av Kevlar, "Lustig sa." Jag hade över ett decennium erfarenhet av att arbeta med Kevlar -verksamheten inom olika aspekter av flytande kristallin polymerpolymerisation, bearbetning och egenskaper. ARL -teamet trodde att min bakgrund skulle vara till hjälp. "

Lustig förklarade att han först hade lärt sig om laboratoriet i mitten av 2000-talet när han kom i kontakt med Dr. Kenneth Strawhecker, en arméforskare som hade nått ut till DuPont i jakten på branschsamarbeten.

Just då, Lustig arbetade som ledande forskare i DuPonts polymerfysikgrupp och specialiserade sig på utveckling av nya verktyg för statistisk mekanik, statistisk termodynamik och molekylära simuleringar.

Förutom sin expertis på beräkningssidan av industriell forskning, han genomförde också experiment i kemisk syntes, polymerbearbetning, polymermaterialegenskaper och atomkraftsmikroskopi.

"Jag har aldrig haft tålamod att stanna på ett ställe och bli en mästare på bara ett mycket litet område, "Lustig sa." Jag har alltid försökt lösa problem holistiskt med hjälp av experiment, teori och datorer. "

När Lustig träffade Strawhecker, de två inledde en rad informella samarbeten som fokuserade på användningen av atomkraftmikroskopi för att inte bara förstå strukturen hos Kevlar -material utan också deras reaktion på dragkraft och böjmekanik.

Den vetenskapliga tidskriften Makromolekyler innehåller den arméledda studien på insidan av omslaget till sitt senaste nummer.

American Chemical Society publicerade senare resultatet av denna forskning som omslag till den vetenskapliga tidskriften för granskning Tillämpade material och gränssnitt år 2020.

Även efter att Lustig lämnade DuPont 2016, han fortsatte sina samarbeten med laboratoriet som gästforskare. Strax efter en av hans seminariepresentationer på labbet, han träffade Wetzel, som genast insåg värdet av Lustigs branscherfarenhet.

Under sin fortsatta interaktion med Strawhecker och Wetzel, Lustig fick möjligheten att bli en ARL Joint Faculty utnämning efter att han började på Institutionen för kemiteknik vid Northeastern University.

På grund av hans närhet till ARL:s nordöstra campus, både Strawhecker och Wetzel såg Lustig som en toppkandidat för tjänsten.

"ARL Open Campus Initiative ger ett sätt att utnyttja extern expertis som kanske inte finns i vårt laboratorium, "Sade Wetzel." Den gemensamma fakultetsutnämningen är en ny konstruktion inom Open Campus som bara har funnits i några år, men vi kunde integrera en expert med mångårig erfarenhet av DuPont i vårt forskningsprogram tack vare denna mekanism. "

Enligt Wetzel, Lustigs långa historia med högpresterande fiberutvecklingsprojekt på DuPont gav arméforskare tillgång till unika modelleringsmöjligheter samt ovärderlig vägledning om metoder och tekniker som skulle förbättra stabiliteten i deras konceptuella 2-D-polymerer.

Som en gemensam fakultetsanställning, Lustig analyserade miljöhållbarheten i laboratoriets 2-D-polymerdesigner och körde datorsimuleringar som bestämde hur väl de klarar extrema förhållanden som intensiv värme.

Lustig arbetade tillsammans med Dr. Jan Andzelm, en arméforskare och ARL -kollega vars expertis inom molekylära simuleringar av polymerer var avgörande för att köra beräkningarna.

Genom dessa datasimuleringar, forskarna jämförde den termiska stabiliteten hos 1D -polymeren Kevlar, en 2-D-polymer kallad en amid-kovalent organisk ram, känd som amCOF, och en hypotetisk 2-D-polymer designad av laboratoriet kallad grafamid.

"Vi utförde en serie mycket exakta, kvantmekaniska beräkningar på hög nivå som kallas ab initio molekylär dynamik och studerade förändringarna i strukturen mellan de tre molekylerna vi tittade på, "Lustig sa." När vi bekräftade att vår metod noggrant kunde beskriva en välkänd molekyl som Kevlar, vi kan tillämpa det på molekyler som vi inte kände som grafamid och göra exakta förutsägelser om deras beteende och egenskaper. "

Resultaten av jämförelseundersökningen visade att grafamid potentiellt tål temperaturer så höga som 700 grader Celsius, som överskred gränserna för både Kevlar och amCOF -materialet.

Med tanke på studiens acceptans som omslagsartikel, Lustig sa att han tror att teamets senaste framgångar tydligt belyser vikten av ARL Open Campus -initiativ, till exempel gemensamma fakultetsutnämningar.

Lustig uttryckte sin tacksamhet till laboratoriet för hans ställning och nämnde hur han såg möjligheten som ett utmärkt sätt för honom att hjälpa armén med dess ansträngningar.

"Jag blev involverad med Kevlar i första hand eftersom min far var karriärarmé, Så tanken på att skydda killar som min pappa är verkligen viktig för mig.