Ett nytt sätt att analysera hur beläggningar av små partiklar förändrar egenskaperna hos transparent plast kan hjälpa forskare att skapa lätta fönster med nästan glasets styrka. Samma metod kan också leda till hög hållfasthet, reptåliga beläggningar som kan appliceras på många olika material, enligt MIT-forskarna som tagit fram analysen.
Analysen använde en polymer som kallas poly(metylmetakrylat), eller PMMA, som används flitigt som glasersättning. Generellt känd som akryl, och säljs under varumärken som Lucite eller Plexiglas, detta material kan vara sprött och är mycket mindre motståndskraftigt mot repor än glas.
Andra forskare har lagt till kiseldioxidpartiklar som bara mäter nanometer över till PMMA, skapa en polymer-partikel nanokomposit med mycket större styrka. Men MIT-teamet, för första gången, har hittat ett sätt att analysera partikel-polymer-interaktioner av sådana beläggningar i nanoskala, vilket skulle kunna underlätta upptäckten av förbättrade beläggningar. Deras arbete rapporterades i juli i tidningen Mjuk materia .
Analysen utfördes av Meng Qu, en postdoc vid MIT:s institution för materialvetenskap och teknik, tillsammans med docent i materialvetenskap och teknik Krystyn Van Vliet och flera forskare vid DuPont Nanocomposite Technologies i Delaware. Arbetet finansierades delvis av DuPont-MIT Alliance.
Kiseldioxidpartiklar användes för beläggningen eftersom de är transparenta, så att det färdiga materialet behåller sin transparens. Men kiseldioxid och akryl är inte kompatibla, vilket vanligtvis skulle orsaka klumpar av de små kiseldioxidkornen - som bara mäter cirka 10 till 20 nanometer i diameter, eller ungefär en tiotusendel av ett människohårs bredd. För att övervinna detta, kiseldioxiden behandlades med andra "funktionella grupper" av molekyler, ändra dess ytkemi så att den sprids jämnt på polymerytan.
Sedan, forskarna värmde polymeren för att mjuka upp den något, och använde ett atomkraftmikroskop för att observera partiklarna när de sakta sjönk ner i ytan. Sådana observationer av dynamiken i processen hade aldrig gjorts tidigare, så att MIT-teamet kan se hur snabbt partiklarna sjunker in och bestämma exakt hur de interagerar med polymeren.
De resulterande uppgifterna gjorde det möjligt för teamet att ta reda på de optimala beläggningsmaterialen och partikeldensiteten för att stärka polymerytan, möjliggör starkare fönsterersättningar. Arbetet kan också leda till reptåliga beläggningar på sprayning för allt från bilar till mobiltelefoner, säger Qu. "Varje yta som behöver beläggning" är potentiellt en kandidat för en sådan behandling, hon säger. "Vi visade att en liten mängd partiklar på ytan ökar styvheten."
Arbetet kan också göra skillnad i många nuvarande användningar av PMMA, såsom fönster som används i akvarietankar. För närvarande, sådana fönster är gjorda mycket tjocka för att stå emot det enorma vattentrycket i stora tankar. Men om materialet är starkare, fönstren kunde göras tunnare och lättare, och därför billigare, säger Qu.
Mark VanLandingham, chef för Materials Response and Design Branch vid U.S. Army Research Laboratory i Adelphi, Md., säger att det har förekommit mycket forskningsaktivitet inom området polymera nanokompositer, men detta nya arbete ger ett unikt tillvägagångssätt för att studera de grundläggande kemiska och fysikaliska egenskaperna hos sådana material. "Det har varit en otrolig blandning av forskning som finns över hela styrelsen, " säger han:Vissa studier har funnit betydande fördelar med tillsats av nanopartiklar, medan andra fann liten förbättring. Så, han lägger till, det finns ett stort intresse för att förstå grunderna för hur dessa material interagerar "på ett grundläggande och kvantitativt sätt."
MIT-teamets tillvägagångssätt kan ge en ny metod för att studera hur materialen interagerar, VanLandingham säger, och potentiellt ett nytt sätt att tillverka sådana kompositer. "Detta ger några ytterligare riktningar" för framtida forskning som kan leda till användbara tillämpningar, han säger.
