«По сути, мы создали одностадийный метод создания композитного материала, который значительно прочнее, чем его основной материал», — говорит Кумар, эксперт по динамике полимеров и самосборке. «Наша технология может улучшить механические и потенциально другие физические свойства коммерчески значимых пластиковых материалов, с их применением в автомобилях, защитных покрытиях и упаковке продуктов питания / напитков, вещах, которые мы используем каждый день. И, заглядывая в будущее, мы также можем создают интересные электронные или оптические свойства нанокомпозитных материалов, потенциально позволяя изготавливать новые материалы и функциональные устройства, которые можно использовать в конструкционных приложениях, таких как здания, но с возможностью контроля их состояния на месте ».Около 75 процентов коммерчески используемых полимеров, включая полиэтилен, используемый для упаковки, и полипропилен для бутылок, являются полукристаллическими. Эти материалы имеют низкую механическую прочность и, следовательно, не могут использоваться для многих сложных применений, таких как автомобильная фурнитура, такая как шины, ремни вентилятора, бамперы и т. Д. Исследователи десятилетиями, начиная с начала 1900-х годов, знали, что различная дисперсия наночастиц в полимере, металле , а керамические матрицы могут значительно улучшить свойства материала.
Хорошим примером в природе является перламутр, который состоит на 95 процентов из неорганического арагонита и на 5 процентов из кристаллического полимера (хитина); его иерархическое упорядочение наночастиц — смесь интеркалированных хрупких пластинок и тонких слоев эластичных биополимеров — значительно улучшает его механические свойства. Вдобавок параллельные слои арагонита, удерживаемые вместе наноразмерным (~ 10 нм) кристаллическим биополимерным слоем, образуют «кирпичи», которые впоследствии собираются в надстройки «из кирпича и раствора» в масштабе микрометра и больше.
Эта структура, имеющая несколько размеров по длине, значительно увеличивает ее прочность.«Хотя достижение спонтанной сборки наночастиц в иерархию чешуек в полимерном хозяине было« святым Граалем »в нанонауке, до сих пор не существовало установленного метода для достижения этой цели», — говорит Дэн Чжао, аспирант Кумара и первый автор статьи. «Мы решили эту проблему с помощью контролируемой многомасштабной сборки наночастиц, используя кинетику кристаллизации полимера».Хотя исследователи, занимающиеся полимерными нанокомпозитами, достигли легкого контроля организации наночастиц в аморфной полимерной матрице (т.е.полимер не кристаллизуется), на сегодняшний день никто не смог настроить сборку наночастиц в кристаллической полимерной матрице.
Один из связанных подходов основывался на ледяных шаблонах. Используя этот метод, исследователи кристаллизовали небольшие молекулы (преимущественно воду) для организации коллоидных частиц, но из-за внутренней кинетики этих процессов частицы обычно выталкиваются за границы зерен микромасштаба, и поэтому исследователи не смогли упорядочить наночастицы. через несколько чешуек, необходимых для имитации перламутра.Группа Кумара, эксперты по настройке структуры и, следовательно, свойств полимерных нанокомпозитов, обнаружила, что путем смешивания наночастиц в растворе полимеров (полиэтиленоксида) и изменения скорости кристаллизации путем изменения степени переохлаждения (а именно, насколько ниже точки плавления, когда проводилась кристаллизация), они могли контролировать процесс самоорганизации наночастиц в трех различных масштабных режимах: нано, микро и макрометр.
Каждая наночастица была равномерно покрыта полимером и равномерно распределена перед началом процесса кристаллизации. Затем наночастицы собирались в листы (10-100 нм), а листы в агрегаты на микромасштабе (1-10 мкм), когда полимер кристаллизовался.«Эта контролируемая самосборка важна, потому что она улучшает жесткость материалов, сохраняя при этом их прочность», — говорит Кумар. «И материалы сохраняют низкую плотность чистого полукристаллического полимера, так что мы можем поддерживать низкий вес конструктивного компонента — свойство, которое имеет решающее значение для таких приложений, как автомобили и самолеты, где вес является критическим фактором.
Благодаря нашему универсальному подходу, мы можем варьировать частицы или полимер для достижения определенного поведения материала или характеристик устройства ».Команда Кумара планирует затем изучить основы, которые позволяют частицам двигаться к определенным областям системы, и разработать методы для ускорения кинетики упорядочения частиц, что в настоящее время занимает несколько дней.
Затем они планируют изучить другие ориентированные на приложения системы полимер / частицы, такие как системы полилактид / наночастицы, которые могут быть разработаны как биоразлагаемые и устойчивые полимерные нанокомпозиты следующего поколения, а также полиэтилен / диоксид кремния, который используется в автомобильных бамперах, зданиях и мостах. .«Возможность замены конструкционных материалов этими новыми композитами может иметь огромное влияние на экологичные материалы, а также на инфраструктуру нашей страны», — говорит Кумар.