Los investigadores del Ejército lograron un gran avance en la ciencia incipiente de los polímeros bidimensionales gracias a un programa colaborativo que cuenta con la ayuda de científicos e ingenieros líderes en el ámbito académico conocido como nombramientos conjuntos de profesores.
Investigadores del Comando de Desarrollo de Capacidades de Combate del Ejército de EE. UU., Ahora conocido como DEVCOM, Laboratorio de Investigación del Ejército se asoció con el profesor Steve Lustig, un nombramiento conjunto de profesores en la Universidad Northeastern, para acelerar el desarrollo de polímeros 2D para aplicaciones militares
La colaboración con ARL Northeast condujo a un estudio pionero publicado en la revista científica revisada por pares Macromoléculas .
"Los polímeros 2D se han estudiado muy seriamente desde un punto de vista sintético durante solo unos 10 años", dijo el Dr. Eric Wetzel, líder del área de investigación de Materiales Soldados en el laboratorio. "Representan una nueva clase de materiales relativamente inexplorada con una tremendapotencial."
Según Wetzel, los polímeros 2D tienen un patrón simétrico muy repetible similar al "alambre de gallinero", que ofrece acceso a más mejoras estructurales en comparación con los polímeros lineales unidimensionales como el Kevlar.
En un esfuerzo por medir todo el potencial de estos materiales, los investigadores del Ejército han comenzado a diseñar polímeros 2D computacionalmente con la esperanza de poder desarrollar una alternativa superior a las fibras de aramida convencionales para aplicaciones como armaduras y ropa resistente al fuego.
El profesor Steve Lustig, un miembro de la facultad conjunta en la Northeastern University, utiliza su experiencia en la industria con DuPont para ayudar a los investigadores del Ejército a calcular la durabilidad ambiental de los polímeros 2D simulados.
Para crear correctamente un polímero 2D que pueda resistir las condiciones del mundo real, los investigadores del Ejército buscaron la ayuda de Lustig, quien anteriormente trabajó en DuPont Central Research & Development durante más de dos décadas antes de convertirse en profesor asociado con titularidad en Northeastern University..
"La idea del proyecto de polímero 2D es esencialmente hacer una versión 2D de Kevlar", dijo Lustig. "Tenía más de una década de experiencia trabajando con el negocio de Kevlar en varios aspectos de la polimerización, procesamiento y propiedades de polímeros cristalinos líquidos.El equipo de ARL creía que mis antecedentes serían útiles ".
Lustig explicó que supo por primera vez sobre el laboratorio a mediados de la década de 2000 cuando se puso en contacto con el Dr. Kenneth Strawhecker, un científico del Ejército que se había acercado a DuPont en busca de colaboraciones con la industria.
En ese momento, Lustig trabajaba como científico principal en el grupo de física de polímeros de DuPont y se especializaba en el desarrollo de herramientas novedosas para mecánica estadística, termodinámica estadística y simulaciones moleculares.
Además de su experiencia en el lado computacional de la investigación industrial, también realizó experimentos en síntesis química, procesamiento de polímeros, caracterización de propiedades de materiales poliméricos y microscopía de fuerza atómica.
"Nunca he tenido la paciencia de quedarme en un lugar y convertirme en un maestro en un área muy pequeña", dijo Lustig. "Siempre he tratado de resolver problemas de manera integral utilizando experimentos, teoría y computadoras".
Una vez que Lustig se reunió con Strawhecker, los dos comenzaron una serie de colaboraciones informales que se centraron en el uso de la microscopía de fuerza atómica para comprender no solo la estructura de los materiales de Kevlar, sino también su respuesta a la tensión de tracción y la mecánica de flexión.
La revista científica Macromoléculas presenta el estudio dirigido por el Ejército en la portada interior de su último número.
La American Chemical Society publicó más tarde el resultado de esta investigación como la portada de la revista científica revisada por pares Interfaces y materiales aplicados en 2020.
Incluso después de que Lustig dejó DuPont en 2016, continuó colaborando con el laboratorio como científico visitante. Poco después de una de las presentaciones de su seminario en el laboratorio, conoció a Wetzel, quien reconoció de inmediato el valor de la experiencia en la industria de Lustig.
En el transcurso de su interacción continua con Strawhecker y Wetzel, Lustig obtuvo la oportunidad de convertirse en un nombramiento de facultad conjunta de ARL después de unirse al Departamento de Ingeniería Química en Northeastern University.
Debido a su proximidad al campus noreste de ARL, tanto Strawhecker como Wetzel vieron a Lustig como uno de los principales candidatos para el puesto.
"La iniciativa ARL Open Campus proporciona una manera de aprovechar la experiencia externa que puede no existir dentro de nuestro laboratorio", dijo Wetzel. "El nombramiento conjunto de profesores es una nueva construcción dentro de Open Campus que solo ha existido durante unos pocos años, peropudimos integrar a un experto con años de experiencia en DuPont en nuestro programa de investigación gracias a este mecanismo ".
Según Wetzel, la larga historia de Lustig con proyectos de desarrollo de fibra de alto rendimiento en DuPont brindó a los investigadores del Ejército acceso a capacidades de modelado únicas, así como una guía invaluable sobre los métodos y técnicas que mejorarían la estabilidad de sus polímeros 2D conceptuales.
Como un nombramiento conjunto de la facultad, Lustig analizó la durabilidad ambiental de los diseños de polímeros 2D del laboratorio y ejecutó simulaciones por computadora que determinaron qué tan bien soportan condiciones extremas como el calor intenso.
Lustig trabajó junto con el Dr. Jan Andzelm, un científico del Ejército y miembro de ARL cuya experiencia en las simulaciones moleculares de polímeros fue fundamental para ejecutar los cálculos.
A través de estas simulaciones por computadora, los investigadores compararon la estabilidad térmica del polímero 1D Kevlar, un polímero 2D llamado marco orgánico covalente amida, conocido como amCOF, y un polímero 2D hipotético diseñado por el laboratorio llamado grafamida.
"Realizamos una serie de cálculos mecánicos cuánticos de alto nivel muy precisos llamados dinámica molecular ab initio y estudiamos los cambios en la estructura entre las tres moléculas que observamos", dijo Lustig. "Una vez confirmamos que nuestro método podíadescribir una molécula conocida como Kevlar, podríamos aplicarla a moléculas que no conocíamos como grafamida y hacer predicciones precisas sobre su comportamiento y propiedades ".
Los resultados del estudio de comparación mostraron que la grafamida podría soportar temperaturas de hasta 700 grados Celsius, lo que excedía los límites tanto del Kevlar como del material amCOF.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU. . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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