19:14 2023-06-02
science - citeste alte articole pe aceeasi tema
Comentarii Adauga Comentariu
_ Descoperirea provoacă o dogmă veche de 30 de ani în cercetarea polimerilor asociativi
_ Provocări de descoperire 30- dogmă veche de ani în cercetarea polimerilor asociativi
Un studiu condus de Universitatea din Virginia despre o clasă de materiale numite polimeri asociativi pare să provoace o înțelegere de lungă durată a modului în care materialele, care au un auto-vindecare și un proprietățile curgerii, funcționează la nivel molecular.
Liheng Cai, profesor asistent de știința materialelor și inginerie și inginerie chimică la UVA, care a condus studiul, a declarat că noua descoperire a implicații importante pentru nenumăratele moduri în care aceste materiale sunt utilizate în fiecare zi, de la ingineria materialelor plastice reciclabile la ingineria țesuturilor umane până la controlul consistenței vopselei, astfel încât aceasta să nu picure.
Descoperirea, care a fost publicată în revista jurnalul Physical Review Letters, a fost activat de noi polimeri asociativi dezvoltați în laboratorul lui Cai la Școala UVA de Inginerie și Științe Aplicate de către cercetătorul său postdoctoral Shifeng Nian și Ph.D. student Myoeum Kim. Descoperirea a evoluat dintr-o teorie pe care Cai a dezvoltat-o împreună înainte de a ajunge la UVA în 2018.
„Shifeng și Myoeum au creat, în esență, o nouă platformă experimentală pentru a studia dinamica polimerilor asociativi în moduri care nu erau posibile înainte. ”, a spus Cai.
„Acest lucru ne-a oferit o nouă perspectivă asupra comportamentului polimerilor și oferă oportunități de a ne îmbunătăți înțelegerea domeniilor de studiu deosebit de provocatoare din știința polimerilor. Și din punct de vedere tehnologic, cercetarea contribuie la dezvoltarea materialelor auto-vindecătoare cu proprietăți adaptate.”
Polimerii sunt macromolecule compuse din unități repetate sau monomeri. Prin rearanjarea sau combinarea acestor unități și prin modificarea legăturilor lor, oamenii de știință pot proiecta materiale polimerice cu caracteristici specifice.
De asemenea, polimerii pot schimba stări, de la tari și rigidi, cum ar fi sticla, la cauciuc sau chiar fluid, în funcție de factori. cum ar fi temperatura sau forța - de exemplu, împingerea unui gel solid printr-un ac hipodermic.
Polimerii asociativi sunt deosebit de distincți: fragmentele lor - un termen general pentru subunități moleculare cu proprietăți fizice personalizabile - sunt ținute împreună prin reversibile. legături, ceea ce înseamnă că se pot desprinde și se pot reforma.
Acest proces permite proprietăți macroscopice inaccesibile de polimerii convenționali. Drept urmare, polimerii asociativi oferă soluții la unele dintre cele mai presante provocări în domeniul durabilității și sănătății. De exemplu, polimerii asociativi sunt utilizați ca modificatori de vâscozitate în combustibili, pentru a crea polimeri duri cu auto-vindecare și pentru a proiecta biomateriale cu proprietăți fizice esențiale pentru ingineria și regenerarea țesuturilor.
O cheie a muncii echipei UVA a fost depășirea unei trăsături materiale care i-a împiedicat pe cercetători ani de zile. În laborator, oamenii de știință lucrează cu materiale ale căror legături se pot rupe și se pot reforma la „scale de timp de laborator”, adică în intervale de timp pe care le pot observa prin experimente. Cu toate acestea, în aproape toate sistemele experimentale existente, fragmentele se agregează în grupuri mici, ceea ce împiedică studiul precis al relației dintre legăturile reversibile și comportamentul polimerului.
Echipa lui Cai a dezvoltat noi tipuri de polimeri asociativi în care legăturile sunt egale. distribuite pe tot materialul și la o gamă largă de densități. Pentru a confirma că materialele lor nu formează grupuri, cercetătorii au colaborat cu Mikhail Zhernenkov, un om de știință la Laboratorul Național Brookhaven al Departamentului Energiei din SUA. Ei au efectuat experimente folosind un instrument sofisticat cu raze X - linia de radiație a interfețelor cu materia moale - la National Synchrotron Light Source II pentru a dezvălui compoziția interioară a polimerilor fără a deteriora probele.
Acești noi polimeri asociativi au permis lui Cai. echipa să studieze cu precizie efectele interacțiunilor reversibile asupra dinamicii polimerilor asociativi.
Dinamica și comportamentul se referă la trăsături precum temperatura la care mișcarea moleculei încetinește până la o stare rigidă „sticlă”, vâscozitatea (cât de liber curge un material) și elasticitatea (abilitatea sa de a se retrage după ce a fost dezactivat). format). O combinație a acestor trăsături este adesea de dorit pentru a proiecta, de exemplu, un biomaterial compatibil cu țesutul uman care se poate reconstitui după injectare.
Timp de 30 de ani, s-a acceptat că atunci când legăturile reversibile rămân intacte, acţionează ca agenţi de reticulare, rezultând un material cauciucat. Dar nu asta a descoperit echipa condusă de UVA.
Colaborând cu Shiwang Cheng, profesor asistent la departamentul de inginerie chimică și știința materialelor de la Universitatea de Stat din Michigan și expert în dinamica fluxului, echipa a măsurat cu precizie comportamentul fluxului. a polimerilor lor într-o gamă largă de scale de timp.
„Acest lucru necesită un control atent asupra mediului local, cum ar fi temperatura și umiditatea polimerilor”, a spus Cheng. „De-a lungul anilor, laboratorul meu a dezvoltat un set de metode și sisteme pentru a face acest lucru.”
Echipa a descoperit că legăturile pot încetini mișcarea polimerilor și pot disipa energia fără a crea o rețea cauciucoasă. În mod neașteptat, cercetarea a arătat că interacțiunile reversibile influențează calitățile sticloase ale polimerilor mai degrabă decât domeniul vâscoelastic al acestora.
„Polimerii noștri asociativi oferă un sistem care permite investigarea separată a efectelor interacțiunilor reversibile asupra mișcării [polimerului] și comportament sticlos”, a spus Cai. „Acest lucru poate oferi oportunități de îmbunătățire a înțelegerii fizicii provocatoare a polimerilor sticloși precum materialele plastice.”
Din experimentele lor, echipa lui Cai a dezvoltat, de asemenea, o nouă teorie moleculară care explică comportamentul polimerilor asociativi, care s-ar putea schimba gândindu-se la modul de proiectare a acestora cu proprietăți optimizate, cum ar fi rigiditatea ridicată și capacitatea de auto-vindecare rapidă.
Pe lângă Nian, Kim, Cheng și Zhernenkov, Cai a colaborat cu Ting Ge, un expert și asistent în simulare computațională. profesor de chimie și biochimie la Universitatea din Carolina de Sud și Quan Chen de la State Key Lab of Polymer Physics and Chemistry de la Changchun Institute of Applied Chemistry, care a furnizat codul inițial pentru analizarea comportamentului curgerii polimerilor.
Lucrarea, „Dynamics of Associative Polymers with High Density of Reversible Bonds”, apare în numărul din 2 iunie a Physical Review Letters și este prezentată ca sugestie a editorilor.
Comentarii:
Adauga Comentariu