När plastmaterial bearbetas eller återvinns kan deras grundläggande egenskaper försämras på grund av skador orsakade av deformation. Återvinningsprocesser tenderar att bryta molekylära bindningar inuti materialen, vilket gör dem svagare och mindre hållbara. Ett sätt att göra plaster mer hållbara är genom att använda självmonterade mjuka material som kan självläka efter skada.

Självmonterade material organiserar sig spontant och kan återskapa molekylära förbindelser efter att ha skadats, vilket gör att materialen återhämtar sin styrka med tiden. Många forskare undersöker tillämpningar av självläkande material där plastkomponenter är svåra att ersätta eller reparera, som nanoteknik inuti datorer eller biomedicinska material inuti människokroppar. Men forskare har inte en grundlig förståelse för deras beteende i molekylär skala.

Thomas O'Connor, biträdande professor i materialvetenskap och ingenjörskonst, arbetar för att ändra på det. Han och hans team av medarbetare använder molekylära simuleringar för att studera en typ av självmonterande material som kallas associerande polymerer. Dessa polymerer är gjorda av långa molekylkedjor som innehåller klibbiga grupper längs sin längd.

De klibbiga grupperna attraheras av varandra och samlas för att bilda kluster som kopplar samman olika kedjor till ett nätverk som kan se ut som en skål med molekylära nudlar. När polymererna skadas av deformation kan de klibbiga klustren reformeras och läka materialet genom att bilda ett molekylärt ärr. Klibbigare kluster kan bilda starkare ärr, men om de klibbiga interaktionerna blir för starka, kommer mycket stora kluster att bildas och polymeren blir för stel för att manipuleras i tillverkningen.

För att förstå hur associerande polymerer beter sig när de sträcks, simulerade O'Connor beteendet hos polymerkedjor under förlängningsdeformation. Han fann att när han sträckte ut nätverken, reagerade inte klibbiga kluster inuti materialet på ett enhetligt sätt.

De största och starkaste klustren tenderade att bryta upp och låta kedjorna flyta som en vätska, medan andra svagare kluster inte skulle gå sönder och hindrade kedjor från att förlängas. Detta heterogena svar – olika molekylära beteenden från samma stimulans – är spännande för materialteoretiker som O'Connor eftersom det hjälper till att förklara varför dessa material är så oförutsägbara under tillverkning.

"Vanligtvis är sättet du skriver en teori för ett material på att fråga," vad är det genomsnittliga svaret av polymerkedjorna på vad jag gör? ", förklarade O'Connor. "Men med det här nätverket är det två distinkta beteenden som händer. Vissa kedjor sträcks ut och vissa kedjor kollapsar. Genomsnittet skulle vara någonstans i mitten och kommer inte att fånga det heller."

Omvänt, när O'Connor påskyndade simuleringen för att sträcka polymerkedjorna snabbare, fann han att ju snabbare kedjorna sträcktes, desto mer lika uppträdde de alla.

I höga hastigheter bröts de kluster som fungerade som permanenta förbindelser isär och bildade många mindre kluster med liknande egenskaper som de mindre kluster som redan fanns. "Detta visade oss att allt hopp inte är förlorat för att arbeta med, bearbeta och en dag återvinna självmonterade material," utarbetade O'Connor. "Även om de här systemen har ett nytt och rörigt sätt att bete sig, följer detta rörigt vissa regler eftersom hur systemet bryts upp skapar en slags självorganisering. Jag ser fram emot att utforska vad dessa nätverk kommer att göra när vi kan kontrollera mer noggrant. dem."

Med hjälp av simuleringar kan O'Connors team exakt kontrollera storleken och klibbigheten hos klustren och kan utvärdera hur mer noggrant utformade associerande nätverk kommer att reagera på förlängningsflödet. Denna forskning publicerad i Physical Review X är grunden för framtiden för bearbetning av självmonterade material.

Förbättra det elektromekaniska beteendet hos en flexibel polymer