Новый способ разработки композитных материалов: полимерная конструкция сочетает в себе прочность с обратимостью.

Композитные клей, такие как эпоксидные смолы, являются отличными инструментами для соединения и заполнения материалов, включая древесину, металл и бетон. Но есть одна проблема: однажды составные наборы, это навсегда. Теперь есть лучший способ. Исследователи разработали простой полимер, который служит сильным и стабильным наполнителем, который впоследствии может быть растворен. Он работает как запутанный шарик пряжи, который притягивается, распадается в отдельные волокна.

В новом исследовании, проведенном исследователями в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Berkeley Lab) из Министерства энергетики, описывается способ разработки псевдополомы в материалах. Вместо формирования химических связей, что делает эпоксидные и другие композиты такими жесткими, цепочки молекул запутываются таким образом, чтобы полностью обратимы. Исследование есть опубликовано в журнале Продвинутые материалыПолем

«Это совершенно новый способ затвердевания материалов. Мы открыли новый путь к композитам, который не идет традиционными способами», — сказал Тинг Сюй, старший научный сотрудник факультета в Berkeley Lab и один из ведущих авторов исследования.

Традиционно, есть два способа сделать полимерные материалы сильными и жесткими. Во -первых, добавление настройки агента создает сшитую сеть полимерных молекул, удерживаемых постоянными химическими связями. Во втором увеличение длины цепочек молекул полимер заставляет их все больше и больше запутываться, поэтому они не могут развалиться.

Последний, предложил Сюй, предлагает возможность обратимого дизайна. Она сравнила концепцию с сложенными белками, которые взаимодействуют без химических связей, чтобы создать прочные структуры в природе, а впоследствии могут развернуться в их составляющие пряди.

Сюй, вместе со своими коллегами в отделении наук о материалах Berkeley Lab, хотела опираться на эту концепцию и начать со сбора простых полистирольных цепей, запутанных их в жесткой и стабильной структуре, а затем перенесу материал к своей отправной точке. «Допустим, у вас есть шарик пряжи, и это беспорядок. Вы не можете его распутать», — сказал Сюй. «Но если вы играете с пряжей, возможно, вы можете обмануть ее, чтобы распутать».

Имея это в виду, исследователи прикрепили полистирольные цепи к частицам кремнезема, диаметров, для создания того, что Сюй называлось «волосатыми частицами». Сформируя нанокомпозиты, эти волосатые частицы, сами прилагаемые в кристаллическую структуру, обеспечивая различные пространства между каждой единицей для заполнения волосатых полимеров. Пространство, доступное для каждой полистирольной цепи, зависело от его положения в структуре — и, следовательно, определяло, насколько он запутался вместе со своими соседями.

Установив полимерные цепи в эти крошечные пространства с различными геометриями, Сюй уменьшил свободу, с которой мог бы двигаться любой кластер полистирольных цепей, — это управление контролем над тем, насколько они запутались. Или, как выясняется, как не запутывалось: для определенных договоренностей реакция на сжатие заключалось в том, что конкретный кластер полистирольных цепей ослабился в ответ на приложенную силу.

«Сколько запутывания происходит с частицами, определяет их реакцию на внешнюю силу», — сказал Сюй, который также является профессором в инженерном колледже Калифорнийского университета в Беркли. Регулируя размер полистирольной цепи, а также то, где и сколько цепочек было прикреплено к каждой аспекте частицы кремнезема, она могла настроить, как структура реагировала на рассеивание внешних напряжений. В конечном счете, эти параметры обеспечили ключ к инженерным «псевдо-облигациям» на основе инженерного запутывания.

Исследования микроскопии показали, что, хотя некоторые цепочки стали жесткими при заключении, другие в конечном итоге распутывали и растянулись, чтобы рассеять внешний стресс. Результатом стал сильный, жесткий, тонкопленочный материал, который твердо удерживался псевдо-связями запутанных полистирольных цепей. Добавление небольших количеств полистирольных цепей сами к сборкам наночастиц увеличило конечные свойства с нагрузкой еще на 50%.

«Мы были очень взволнованы, что теперь мы можем маневрировать аморфной полимерной организации, используя наноконфинацию», — сказал Сюй. До сих пор аморфные полимеры часто случайно запутываются, тогда как белки хорошо складываются. Варианты расположения полистирольной цепи теперь попадают в сладкое место, которое можно использовать для интеллектуального композита. Более того, добавление капли растворителя и перемешивание растворило нанокомпозит обратно в его составляющие частицы, взвешенные: не было химических связей для разрыва, что позволило переработать материалы.

По словам Сюй, исследование Беркли Лаборатории может быть легко распространено на другие полимеры и наполнители. Полистирол является одним из наиболее распространенных полимеров, а кремнезем — дешевая наночастица; Тем не менее, XU предполагает, что результаты будут применяться и к другим композитам. Она представляет будущее с частицами, которые обладают другими оптическими или магнитными свойствами, например, для создания композитов для оптоэлектронных устройств. «Мы можем иметь как силу, так и прочность, просто модулируя, как распределяются полимеры», — сказал Сюй.