Los nanocompuestos de polímeros mezclan partículas de milmillonésimas de metro de metro nanómetros, nm de diámetro con polímeros, que son cadenas moleculares largas. A menudo se utilizan para fabricar productos moldeados por inyección, son comunes en automóviles, retardantes de fuego, materiales de embalaje, entrega de medicamentos.sistemas, dispositivos médicos, recubrimientos, adhesivos, sensores, membranas y bienes de consumo. Cuando un equipo dirigido por el Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía trató de verificar que reducir el tamaño de las nanopartículas afectaría negativamente las propiedades mecánicas de los nanocompuestos de polímeros, obtuvieron ungran sorpresa.
"Encontramos un efecto inesperadamente grande de nanopartículas pequeñas", dijo Shiwang Cheng de ORNL. El equipo de científicos de ORNL, la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign Illinois y la Universidad de Tennessee, Knoxville UTK informaronhallazgos en la revista ACS Nano .
La combinación de nanopartículas y polímeros permite mejoras dramáticas en las propiedades de los materiales poliméricos. El tamaño de las nanopartículas, la organización espacial y las interacciones con las cadenas de polímeros son fundamentales para determinar el comportamiento de los compuestos. La comprensión de estos efectos permitirá el diseño mejorado de nuevos polímeros compuestos, como científicospuede sintonizar propiedades mecánicas, químicas, eléctricas, ópticas y térmicas.
Hasta hace poco, los científicos creían que debía existir un tamaño óptimo de nanopartículas. Disminuir el tamaño sería bueno solo hasta cierto punto, ya que las partículas más pequeñas tienden a plastificarse a bajas cargas y a agregarse a altas cargas, lo que perjudica las propiedades macroscópicas de los nanocompuestos de polímeros.
El estudio dirigido por ORNL comparó nanocompuestos poliméricos que contienen partículas de 1,8 nm de diámetro y aquellos con partículas de 25 nm de diámetro. La mayoría de los nanocompuestos poliméricos convencionales contienen partículas de 10-50 nm de diámetro. Mañana, los nuevos nanocompuestos poliméricos pueden contener nanopartículas mucho menos de 10nm de diámetro, lo que permite nuevas propiedades que no se pueden lograr con nanopartículas más grandes.
Las pequeñas nanopartículas "pegajosas" bien dispersas mejoraron las propiedades, una de las cuales batió récords: elevar la temperatura del material a menos de 10 grados Celsius causó una rápida caída de viscosidad de un millón de veces. Un polímero puro sin nanopartículas o un compuesto conlas nanopartículas grandes necesitarían un aumento de temperatura de al menos 30 grados centígrados para un efecto comparable.
"Vemos un cambio en el paradigma donde ir a nanopartículas realmente pequeñas permite acceder a propiedades totalmente nuevas", dijo Alexei Sokolov de ORNL y UTK. Ese mayor acceso a nuevas propiedades ocurre porque las partículas pequeñas se mueven más rápido que las grandes e interactúan con menos polímerosegmentos en la misma cadena. Muchos más segmentos de polímeros se adhieren a una nanopartícula grande, lo que dificulta la disociación de una cadena de esa nanopartícula.
"Ahora nos damos cuenta de que podemos ajustar la movilidad de las partículas: qué tan rápido pueden moverse, cambiando el tamaño de las partículas, y qué tan fuertemente interactuarán con el polímero, cambiando su superficie", dijo Sokolov. "Podemosajustar las propiedades de los materiales compuestos en un rango mucho mayor de lo que podríamos lograr con nanopartículas más grandes ".
Mejor juntos
El estudio dirigido por ORNL requirió experiencia en ciencia de materiales, química, física, ciencia computacional y teoría. "La principal ventaja de Oak Ridge National Lab es que podemos formar un gran equipo colaborativo", dijo Sokolov.
Cheng y Bobby Carroll de UTK llevaron a cabo experimentos que diseñaron con Sokolov. La espectroscopía dieléctrica de banda ancha rastreó el movimiento de los segmentos de polímero asociados con las nanopartículas. La calorimetría reveló la temperatura a la que los compuestos sólidos hicieron la transición a los líquidos. Utilizando la dispersión de rayos X de ángulo pequeño, HalieMartin UTK y Mark Dadmun UTK y ORNL caracterizaron la dispersión de nanopartículas en el polímero.
Para comprender mejor los resultados experimentales y correlacionarlos con las interacciones fundamentales, la dinámica y la estructura, el equipo recurrió a la modelación y simulación a gran escala por Bobby Sumpter de ORNL y Jan-Michael Carrillo habilitado por la Instalación de Computación de Liderazgo de Oak Ridge, unCentro de usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en ORNL.
"Nos lleva mucho tiempo descubrir cómo estas partículas afectan el movimiento segmentario de la cadena de polímero", dijo Cheng. "Estas cosas no pueden visualizarse a partir de experimentos que son macroscópicos. La belleza de las simulaciones por computadora es que pueden mostrartecómo se mueve la cadena y cómo se mueven las partículas, por lo que la teoría se puede utilizar para predecir la dependencia de la temperatura ".
Shi-Jie Xie y Kenneth Schweizer, ambos de Illinois, crearon una nueva descripción teórica fundamental de la dinámica activa colectiva en tales nanocompuestos y la aplicaron cuantitativamente para comprender nuevos fenómenos experimentales. La teoría permite predicciones de comportamiento físico que pueden usarse paraformular reglas de diseño para optimizar las propiedades del material.
Carrillo y Sumpter desarrollaron y ejecutaron simulaciones en Titán, la supercomputadora más poderosa de Estados Unidos, y escribieron códigos para analizar los datos en el grupo Rhea. El código de dinámica molecular LAMMPS calculó qué tan rápido se movieron las nanopartículas en relación con los segmentos de polímero y cuánto tiempo se pegaron los segmentos de polímero.a nanopartículas.
"Necesitábamos Titán para un rápido cambio de resultados para un sistema relativamente grande 200,000 a 400,000 partículas funcionando durante mucho tiempo 100 millones de pasos. Estas simulaciones permiten la contabilidad de la dinámica de polímeros y nanopartículas en un tiempo relativamente largoveces ", dijo Carrillo." Estos polímeros están enredados. Imagínese tirando de una hebra de espagueti en un tazón. Cuanto más larga es la cadena, más enredada está. Por lo tanto, su movimiento es mucho más lento ". Simulaciones de dinámica molecular de largas cadenas de polímero enredadaseran necesarios para calcular funciones de correlación de tiempo similares a las condiciones experimentales y encontrar conexiones o acuerdos entre los experimentos y las teorías propuestas por colegas en Illinois.
Las simulaciones también visualizaron cómo se movían las nanopartículas en relación con una cadena de polímeros. El experimento y la teoría corroborantes acercan a los científicos a verificar las predicciones y crean una comprensión más clara de cómo las nanopartículas cambian el comportamiento, como la forma en que la alteración del tamaño de las nanopartículas o las interacciones nanopartículas-polímero afectarátemperatura a la cual un polímero pierde suficiente viscosidad para convertirse en líquido y comenzar a fluir. Las partículas grandes son relativamente inmóviles en la escala de tiempo del movimiento del polímero, mientras que las partículas pequeñas son más móviles y tienden a desprenderse del polímero mucho más rápido.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional de Oak Ridge . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cite esta página :