Världen är fylld av otaliga ljud och vibrationer - de mjuka tonerna från ett piano som driver ner i korridoren, det avkopplande spinnet från en katt som ligger på ditt bröst, det irriterande surrandet från kontorsbelysningen. Föreställ dig att selektivt kunna ställa in ljud av en viss frekvens.

Forskare vid University of Illinois Urbana-Champaign har syntetiserat polymernätverk med två distinkta arkitekturer och tvärbindningspunkter som kan dynamiskt utbyta polymersträngar för att förstå hur nätverksanslutningen och bindningsutbytesmekanismerna styr nätverkets övergripande dämpningsbeteende. Införlivandet av dynamiska bindningar i polymernätverket visar utmärkt dämpning av ljud och vibrationer vid väldefinierade frekvenser.

"Denna forskning handlar om att använda polymerer för att absorbera olika ljud och vibrationer som kan uppstå vid olika frekvenser", säger materialvetenskap och ingenjörsprofessor Chris Evans, som ledde detta arbete. "Vi vill veta hur man utformar polymerens molekylära kemi på ett sådant sätt att vi kontrollerar vilken typ av energiabsorberande förmåga den har."

Resultaten av denna nya forskning publicerades nyligen i Nature Communications .

Att kunna skräddarsy polymerer för att absorbera specifika frekvenser kan vara fördelaktigt för användning i öronproppar och hjälmar för människor nära explosioner och i scenarier med upprepad exponering för en viss frekvens av buller, som en helikopterpilot, där sådan långvarig exponering kan leda till hörselproblem.

Polymerer är långkedjiga molekyler som består av många upprepade enheter. Vissa polymerer är inte helt linjära och har grenar, som träd; och andra polymerer är starkt tvärbundna där individuella polymerkedjor är anslutna med kovalenta bindningar till andra kedjor, som ett nät. Tvärbindningspunkten är en bindning som länkar en polymerkedja till en annan, och det är här bindningar kan utbytas.

Dynamiska bindningar inom ett polymernätverk gör att det kan omorganisera sin struktur som svar på en förändring i miljön (hög temperatur, pH, exponering för UV-ljus, etc.). Att ersätta ett fåtal kovalenta bindningar i tvärbundna polymerstrukturer med dynamiska bindningar kan förbättra polymerens egenskaper, såsom modulen – styvheten hos materialet – och viskositeten – hur lätt materialet flyter. Dynamiska bindningar ger material med unika egenskaper såsom självläkande, supertöjbarhet, vidhäftningsegenskaper och materialseghet på grund av modifieringen av de viskoelastiska egenskaperna.

"Det viktigaste framsteg här är att vi använder dynamiska kovalenta bindningar," förklarar Evans. "De är kemiska bindningar men de kan utbytas med varandra (den dynamiska delen) och när två olika kemier används; de kan utbytas vid mycket olika tidsskalor (den ortogonala delen). Vi använder den processen för att försöka kontrollera vad frekvenser av ljud och vibrationer som vi absorberar."

Att införliva ortogonala bindningar, där snabba bindningar endast kan utbytas med andra snabba bindningar och långsamma bindningar endast kan utbytas med andra långsamma bindningar, genererar flera och väl separerade relaxationslägen, vilket ger nätverket utmärkt dämpning och förbättrade mekaniska egenskaper, som seghet.

Teamet gjorde en serie polymerer som hade kontrollerade typer av arkitekturer och ryggrader och de tittade på hur polymerkedjorna hänger ihop. Evans säger att det faktiskt gör stor skillnad hur polymerkedjorna hänger ihop för att få energiavledningsprocesserna vid mycket specifika tidsskalor som skulle motsvara mycket specifika ljudvågor eller vibrationer. Om kedjorna bara är länkade i ändarna är detta inte lika effektivt som att periodiskt länkas längs kedjans ryggrad.

En av de huvudsakliga begränsningarna med materialen som används i denna forskning är dock att de till slut flyter. Till exempel kommer gummiband att behålla sin form, men när de där dynamiska bindningarna läggs till kommer de alltid så småningom att flyta, som dumt spackel. Detta är bra för till exempel en soldathjälm där materialet är inneslutet i hjälmens skal, men inte så mycket för en öronpropp. Evans säger att hans grupp arbetar på sätt att få polymeren att bli mer av ett självständigt material, och i framtiden skulle de vilja införliva mer dynamiska bindningar, så att polymeren inte bara är skräddarsydd för en specifik frekvens, men för ett mycket bredare frekvensområde.

Chris Evans är också en filial till Materials Research Laboratory och Beckman Institute for Advanced Science and Technology vid UIUC.

Andra bidragsgivare till detta arbete inkluderar Sirui Ge (avdelningen för materialvetenskap och ingenjörsvetenskap och Materialforskningslaboratoriet vid UIUC) och Yu-Hsuan Tsao (avdelningen för materialvetenskap och ingenjörsteknik och Materialforskningslaboratoriet vid UIUC).

Mer information: Sirui Ge et al, Polymerarkitektur dikterar flera avslappningsprocesser i mjuka nätverk med två ortogonala dynamiska bindningar, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43073-w

Journalinformation: Nature Communications

Tillhandahålls av University of Illinois Grainger College of Engineering