_ Cercetătorul creează modele matematice pentru a avansa Materiale polimerice inteligente

Guido Kusters a creat modele matematice pentru a ajuta la dezvoltarea polimerilor inteligenți și și-a susținut doctoratul. teză cum laude la Universitatea de Tehnologie din Eindhoven, Departamentul de Fizică Aplicată și Educație științifică pe 29 mai.

„Este foarte probabil să fi folosit deja unul sau mai mulți polimeri inteligenți astăzi”, spune Kusters.

„Ca gelul de păr. Este moale și maleabil când îl strângi din tub, dar odată ce este în părul tău devine tare, astfel încât tunsoarea ta va rămâne ferm pe loc pentru tot restul zilei. Aceste materiale sunt fundamentale moale, care este familiar din lucruri precum benzile elastice, pasta de dinți și orice ambalaj din plastic.”

Kusters explică că materialele moi au adesea o funcție clară. Ambalajul din plastic, de exemplu, separă produsul de mediul înconjurător. Dar tocmai ușurința cu care aceste materiale își pot schimba forma este cea care le face foarte potrivite pentru funcții mai complexe în care, de exemplu, trebuie să se adapteze la schimbările din mediu.

Apoi aceste materiale sunt numite moi. materiale receptive, spune Kusters, și asta a petrecut în ultimii patru ani cercetări amănunțite.

În loc să petreacă ore întregi în laborator, Kusters a lucrat în principal pe laptopul său. Avea o misiune clară: dorea să eficientizeze dezvoltarea polimerilor inteligenți folosind modele matematice. Dar efectuarea de experimente nu ne învață mai multe?

„Dacă ar fi atât de ușor să o facem într-un laborator, am face-o”, subliniază Kusters. „Adesea avem de-a face cu materiale foarte prețioase și teste îndelungate. Nu poți încerca ceva rapid. Mai ales când vine vorba de optimizarea polimerilor inteligenți, un model de calcul va oferi o indicație mai rapidă a modului în care un material poate fi îmbunătățit.”

Nu este primul care încearcă să integreze polimeri inteligenți într-un model, spune Kusters. Și totuși, abordarea sa este unică, parțial pentru că proiectul său face parte dintr-un mare consorțiu de cercetare – Soft Advanced Materials. Acest lucru implică mai multe universități și institute de cercetare care lucrează împreună, de asemenea, cu mai mulți parteneri industriali.

„În modelele anterioare, au fost utilizate mecanisme mult mai complexe, într-un mod numeric. Acest lucru îl face foarte precis, dar necesită un un nou calcul complicat efectuat de fiecare dată Noua noastră metodă de modelare este mult mai accesibilă, precum și aplicabilă în mod generic, ceea ce înseamnă că este și mai ușor de utilizat în industrie.”

Kusters se întinde pe o pungă. biroul său, chiar lângă disertația lui voluminoasă.

„Un lucru este să faci un model, dar am vrut să arăt și că acest model poate fi folosit pentru o mulțime de polimeri inteligenți. Din materiale polimerice relativ simple. la mai multe structuri biologice. Am cercetat cu adevărat un spectru larg.”

Kusters a deschis punga și scoate câteva granule mici. „Partenerul de colaborare Corbion produce aceste granule de uree, care sunt folosite în agricultura la scară largă. În mod normal, nutrienții sunt eliberați în același timp, dar o eliberare treptată ar fi mult mai de dorit pentru plante și mediu. Acest lucru poate fi realizat prin acoperirea granulelor în un polimer inteligent.”

Ideea sună simplă, spune el. „Într-un mediu umed, stratul de polimer se va extinde, făcându-l poros. Acest lucru permite nutrienților să se dizolve în apă și să fie eliberați. Dar marea provocare este adaptarea profilului de eliberare al acelor straturi de polimer la nevoile culturilor. Și pentru aceasta, trebuie să înțelegem mai bine comportamentul învelișului polimeric.”

Modelul lui Kusters a oferit informațiile necesare. „O granulă de îngrășământ trebuie să continue să elibereze nutrienți pentru întregul ciclu al plantei, care este de cel puțin șase luni. Aceasta înseamnă că experimentele practice necesită foarte mult timp. Am analizat care mecanisme sunt importante pentru eliberare. Grosimea stratului de acoperire. , cum curge apa prin pasaje, cât de cristalin este polimerul pe care îl folosim Modelul meu vă permite să modificați acoperirea polimerului și să vedeți imediat cum se va schimba eliberarea."

Kusters a pus mult mai mult. modelul lui decât doar granula de uree. „M-am inspirat din polimerii inteligenți care sunt dezvoltați în cadrul grupului de cercetare CEC, Materiale și dispozitive funcționale sensibile la stimuli, cum ar fi stratul vibrant care poate curăța în mod independent celulele solare sau, eventual, chiar un rover Marte. Ce mecanism se află în spatele acestui lucru exact. ? Și cum putem preprograma anumite mișcări?"

A petrecut patru ani la Harvard pentru a contribui la crearea unui nou material, bazat pe țesuturi biologice. Sau creierul în miniatură, un proiect pe care l-a întâlnit pentru prima dată prin conexiunile pe care le-a stabilit în timpul stagiului său de master la Universitatea din Oxford.

„Marginile unui mini creier artificial pe un cip devin mai șifonate pe măsură ce trece timpul. Aceste riduri sunt esențiale pentru buna funcționare a creierului nostru curbat. O tulburare genetică - lisencefalia, care înseamnă literalmente „creier neted” - poate reduce încrețirea, ceea ce poate duce la tulburări mentale. Am dori să folosim modelul nostru în încrețirea creierului, poate chiar să îl folosiți pentru a diagnostica aceste tipuri de deficiențe într-un stadiu incipient.” Cu toate acestea, el subliniază: „Vorbesc în viitor.”

Făcât disertația sa descrie o gamă aparent largă de aplicații „este cu siguranță un motiv întemeiat”, spune Kusters. „Am demonstrat că puteți folosi o abordare relativ generică pentru a descrie o mare varietate de materiale soft responsive. Și, cel puțin la fel de important, că puteți trage ulterior concluzii utile din asta. Deci, pentru oricine se întreabă de ce modelăm lucrurile, asta este puterea modelului nostru."

(Fluierul)