Los investigadores de Columbia Engineering han demostrado por primera vez una nueva técnica que se inspira en el nácar de las conchas de ostras, un material compuesto que tiene propiedades mecánicas extraordinarias, que incluyen una gran resistencia y resistencia. Al cambiar inicialmente la velocidad de cristalización de un polímerobien mezclado con nanopartículas, el equipo pudo controlar cómo las nanopartículas se autoensamblan en estructuras en tres regímenes de escala de longitud muy diferentes. Esta ordenación multiescala puede hacer que el material base sea casi un orden de magnitud más rígido mientras conserva la deformabilidad deseada y el comportamiento livianode los materiales poliméricos. El estudio, dirigido por Sanat Kumar, profesor de ingeniería química de Bykhovsky, se publica en línea el 7 de junio en Ciencia Central de ACS .
"Esencialmente, hemos creado un método de un solo paso para construir un material compuesto que sea significativamente más fuerte que su material huésped", dice Kumar, un experto en dinámica de polímeros y autoensamblaje. "Nuestra técnica puede mejorar la mecánica y potencialmenteotras propiedades físicas de los materiales plásticos comercialmente relevantes, con aplicaciones en automóviles, recubrimientos protectores y empaques de alimentos / bebidas, cosas que usamos todos los días. Y, mirando más adelante, también podremos producir interesantes propiedades electrónicas u ópticas del nanocompuestomateriales, que potencialmente permiten la fabricación de nuevos materiales y dispositivos funcionales que pueden usarse en aplicaciones estructurales como edificios, pero con la capacidad de monitorear su salud in situ ".
Alrededor del 75 por ciento de los polímeros utilizados comercialmente, incluido el polietileno utilizado para el envasado y el polipropileno para botellas, son semicristalinos. Estos materiales tienen una baja resistencia mecánica y, por lo tanto, no se pueden utilizar para muchas aplicaciones avanzadas, como accesorios de automóviles como neumáticos, cinturones de seguridad, parachoques,Los investigadores han sabido durante décadas, desde principios del siglo XX, que la dispersión variable de nanopartículas en matrices de polímero, metal y cerámica puede mejorar drásticamente las propiedades del material. Un buen ejemplo en la naturaleza es el nácar, que es 95 por ciento de aragonito inorgánico y 5 por cientopolímero polimérico quitina; su ordenamiento jerárquico de nanopartículas - una mezcla de plaquetas frágiles intercaladas y capas delgadas de biopolímeros elásticos - mejora fuertemente sus propiedades mecánicas. Además, las capas de aragonito paralelas, unidas por una nanoescala ∼10 nm de espesorcapa de biopolímero cristalino, forma "ladrillos" que posteriormente se ensamblan en superestructuras de "ladrillo y mortero" en el micromeTer escala y más grande.Esta estructura, en varios tamaños de longitud, aumenta en gran medida su tenacidad.
"Si bien lograr el ensamblaje espontáneo de nanopartículas en una jerarquía de escalas en un huésped de polímero ha sido un 'santo grial' en nanociencia, hasta ahora no ha habido un método establecido para lograr este objetivo", dice Dan Zhao, estudiante de doctorado de Kumary primer autor en este artículo: "Abordamos este desafío a través del ensamblaje controlado y multiescala de nanopartículas aprovechando la cinética de la cristalización del polímero".
Si bien los investigadores que se centran en nanocompuestos poliméricos han logrado un control fácil de la organización de nanopartículas en una matriz polimérica amorfa es decir, el polímero no cristaliza, hasta la fecha nadie ha podido ajustar el ensamblaje de nanopartículas en una matriz polimérica cristalina.sobre la creación de plantillas de hielo: utilizando esta técnica, los investigadores han cristalizado moléculas pequeñas predominantemente agua para organizar las partículas coloides, pero, debido a la cinética intrínseca de estos procesos, las partículas normalmente son expulsadas a los límites del grano a microescala, por lo que los investigadores nopude ordenar nanopartículas a través de las múltiples escalas necesarias para imitar el nácar.
el grupo de Kumar, expertos en ajustar la estructura y, por lo tanto, las propiedades de los nanocompuestos de polímeros, descubrieron que, al mezclar nanopartículas en una solución de polímeros óxido de polietileno y cambiar la velocidad de cristalización variando el grado de subenfriamiento es decir, hasta qué puntodebajo del punto de fusión en que se realizó la cristalización, podían controlar cómo las nanopartículas se autoensamblaron en tres regímenes de escala diferentes: nano, micro y macro-metro. Cada nanopartícula fue envuelta uniformemente por los polímeros y espaciada uniformemente antes de que comenzara el proceso de cristalizaciónLuego, las nanopartículas se ensamblaron en láminas 10−100 nm y las láminas en agregados en la microescala 1−10 μm cuando el polímero se cristalizó.
"Este autoensamblaje controlado es importante porque mejora la rigidez de los materiales mientras los mantiene resistentes", dice Kumar. "Y los materiales retienen la baja densidad de los polímeros semicristalinos puros para que podamos mantener el peso de un componente estructural".bajo, una propiedad que es crítica para aplicaciones como automóviles y aviones, donde el peso es una consideración crítica. Con nuestro enfoque versátil, podemos variar la partícula o el polímero para lograr un comportamiento específico del material o el rendimiento del dispositivo ".
El equipo de Kumar planea luego examinar los fundamentos que permiten que las partículas se muevan hacia ciertas regiones del sistema, y desarrollar métodos para acelerar la cinética del ordenamiento de partículas, que actualmente lleva unos días. Luego planean explorar otras aplicaciones-sistemas de partículas / polímeros impulsados, tales como sistemas de polilactidas / nanopartículas que pueden diseñarse como nanocompuestos de polímeros biodegradables y sostenibles de próxima generación, y polietileno / sílice, que se usa en parachoques de automóviles, edificios y puentes.
"El potencial de reemplazar materiales estructurales con estos nuevos compuestos podría tener un profundo efecto en los materiales sostenibles, así como en la infraestructura de nuestra nación", dice Kumar.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Columbia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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