«По существу мы создали метод с одним шагом, чтобы построить композиционный материал, который значительно более прочен, чем его материал хозяина», говорит Кумар, эксперт в динамике полимера и самосборке. «Наша техника может улучшить механические и потенциально другие физические свойства коммерчески соответствующих пластмассовых материалов, с применениями в автомобилях, защитных покрытиях и упаковке еды/напитка, вещи, мы используем каждый день. И, смотря далее вперед, мы можем также быть в состоянии произвести интересные электронные или оптические свойства наносложных материалов, потенциально позволяя фальсификацию новых материалов и функциональных устройств, которые могут использоваться в структурных заявлениях, таких как здания, но со способностью контролировать их здоровье на месте».Приблизительно 75 процентов коммерчески используемых полимеров, включая полиэтилен, используемый для упаковки и полипропилена для бутылок, полупрозрачны.
Эти материалы имеют низкую механическую силу и таким образом не могут использоваться для многих перспективных применений, таких как автомобильные детали как шины, fanbelts, бамперы, и т.д. Исследователи знали в течение многих десятилетий, возвращаясь к началу 1900-х, той переменной дисперсии наночастицы в полимере, металле, и керамические матрицы могут существенно улучшить свойства материала.
Хороший пример по своей природе – перламутр, который является 95-процентным неорганическим арагонитом и 5-процентным прозрачным полимером (хитин); его иерархический заказ наночастицы – смесь вставленных хрупких пластинок и тонкие слои упругих биополимеров – сильно улучшают свои механические свойства. Кроме того, найдите что-либо подобное слоям арагонита, скрепляемым наноразмерным (∼ 10 нм толщиной) прозрачный слой биополимера, сформируйте «кирпичи», которые впоследствии собирают в «миномет «кирпич и»» надстройки в масштабе микрометра и больше.
Эта структура, в многократных размерах длины, значительно увеличивает свою крутизну.«В то время как достижение непосредственного собрания наночастиц в иерархию весов в хозяине полимера было ‘Святым Граалем’ в нанонауке, до сих пор не было никакого установленного метода, чтобы достигнуть этой цели», говорит Дэн Чжао, доктор философии Кумара студенческий и первый автор на данной статье. «Мы обратились к этой проблеме через которым управляют, многомасштабное собрание наночастиц, усилив кинетику кристаллизации полимера».
В то время как исследователи, сосредотачивающиеся на наносоединениях полимера, достигли поверхностного контроля организации наночастицы в аморфной матрице полимера (т.е. полимер не кристаллизует), до настоящего времени никто не был в состоянии настроить собрание наночастицы в прозрачной матрице полимера. Один связанный подход полагался на лед-templating. Используя эту технику, следователи кристаллизовали маленькие молекулы (преимущественно водный), чтобы организовать коллоидные частицы, но, из-за внутренней кинетики этих процессов, частицы обычно удаляются в границы зерна микромасштаба, и таким образом, исследователи не были в состоянии приказать, чтобы наночастицы через многократные весы, необходимые, подражали перламутру.Группа Кумара, эксперты в настройке структуры и поэтому свойств наносоединений полимера, нашла, что, смешивая наночастицы в растворе полимеров (окись полиэтилена) и изменяя скорость кристаллизации, изменяя степень подохлаждения (а именно, как далеко ниже точки плавления кристаллизация проводилась), они могли управлять, как наночастицы самособрались в три различных режима масштаба: нано, микро, и макрометр.
Каждая наночастица была равномерно обмотана полимерами и равномерно расположена, прежде чем процесс кристаллизации начался. Наночастицы тогда собрались в листы (10− 100 нм) и листы в совокупности в микромасштабе (1− 10 μ m), когда полимер был кристаллизован.«Эта самосборка, которой управляют, важна, потому что она улучшает жесткость материалов, сохраняя их жесткими», говорит Кумар. «И материалы сохраняют низкую плотность чистого полупрозрачного polymerso, что мы можем поддержать вес на низком уровне структурного компонента, собственность, которая очень важна для заявлений, таких как автомобили и самолеты, где вес – критическое соображение. С нашим универсальным подходом мы можем изменить или частицу или полимер, чтобы достигнуть некоторого определенного существенного поведения или производительности устройства».
Планы команды Кумара рядом с исследуют основные принципы, который позволяет частицам переместиться к определенным областям системы и разработать методы, чтобы ускорить кинетику заказа частицы, который в настоящее время занимает несколько дней. Они тогда планируют исследовать другие управляемые применением системы полимера/частицы, такие как системы polylactide/nanoparticle, которые могут быть спроектированы как биоразлагаемые и стабильные наносоединения полимера следующего поколения и полиэтилен/кварц, который используется в автомобильных бамперах, зданиях и мостах.
«Потенциал замены структурных материалов с этими новыми соединениями мог иметь сильное воздействие на стабильные материалы, а также инфраструктуру наших nation’», говорит Кумар.