Investigadores de Columbia Engineering han demostrado por primera vez una nueva técnica que se inspira en el nácar de las conchas de ostra. un material compuesto que tiene extraordinarias propiedades mecánicas, incluyendo gran fuerza y ​​resistencia. Al cambiar la velocidad de cristalización de un polímero inicialmente bien mezclado con nanopartículas, el equipo pudo controlar cómo las nanopartículas se autoensamblan en estructuras en tres regímenes de escala de longitud muy diferentes. Este ordenamiento de múltiples escalas puede hacer que el material base sea casi un orden de magnitud más rígido mientras aún conserva la deformabilidad deseada y el comportamiento ligero de los materiales poliméricos. El estudio, dirigido por Sanat Kumar, Bykhovsky Profesor de Ingeniería Química, se publica el 7 de junio en línea en Ciencia Central ACS .

"Esencialmente, hemos creado un método de un solo paso para construir un material compuesto que es significativamente más fuerte que su material anfitrión, "dice Kumar, experto en dinámica de polímeros y autoensamblaje. "Nuestra técnica puede mejorar las propiedades mecánicas y potencialmente otras propiedades físicas de los materiales plásticos comercialmente relevantes, con aplicaciones en automóviles, recubrimientos protectores, y envases de alimentos / bebidas, cosas que usamos todos los días. Y, mirando más adelante, también podemos producir interesantes propiedades electrónicas u ópticas de los materiales nanocompuestos, permitiendo potencialmente la fabricación de nuevos materiales y dispositivos funcionales que se pueden utilizar en aplicaciones estructurales como edificios, pero con la capacidad de monitorear su salud in situ ".

Aproximadamente el 75 por ciento de los polímeros usados ​​comercialmente, incluido el polietileno utilizado para envases y polipropileno para botellas, son semicristalinos. Estos materiales tienen baja resistencia mecánica y, por lo tanto, no se pueden utilizar para muchas aplicaciones avanzadas. como accesorios de automóviles como neumáticos, cinturones de abanico, parachoques etc. Los investigadores saben desde hace décadas, volviendo a principios del siglo XX, esa dispersión variable de nanopartículas en el polímero, metal, y las matrices cerámicas pueden mejorar drásticamente las propiedades del material. Un buen ejemplo en la naturaleza es el nácar, que es un 95 por ciento de aragonito inorgánico y un 5 por ciento de polímero cristalino (quitina); su ordenamiento jerárquico de nanopartículas, una mezcla de plaquetas quebradizas intercaladas y capas delgadas de biopolímeros elásticos, mejora considerablemente sus propiedades mecánicas. Además, capas paralelas de aragonito, unidos por una capa de biopolímero cristalino a nanoescala (? 10 nm de espesor), Forman "ladrillos" que posteriormente se ensamblan en superestructuras de "ladrillo y mortero" a escala micrométrica y mayores. Esta estructura, en varios tamaños de longitud, aumenta enormemente su dureza.

"Si bien lograr el ensamblaje espontáneo de nanopartículas en una jerarquía de escalas en un polímero anfitrión 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 Kumar y primer autor de este artículo. "Abordamos este desafío a través del control, ensamblaje multiescala de nanopartículas aprovechando la cinética de la cristalización del polímero ".

Si bien los investigadores que se centran en los nanocompuestos de polímeros han logrado un control fácil de la organización de las nanopartículas en una matriz de polímero amorfo (es decir, el polímero no cristaliza), hasta la fecha, nadie ha podido ajustar el ensamblaje de nanopartículas en una matriz de polímero cristalino. Un enfoque relacionado se basó en la creación de plantillas de hielo. Usando esta técnica, Los investigadores han cristalizado pequeñas moléculas (predominantemente agua) para organizar partículas coloides, pero, debido a la cinética intrínseca de estos procesos, las partículas normalmente se expulsan a los límites de grano a microescala, por lo que los investigadores no han podido ordenar nanopartículas en las múltiples escalas necesarias para imitar el nácar.

El grupo de Kumar, expertos en afinar la estructura y, por tanto, las propiedades de los nanocompuestos poliméricos, encontrado que, mezclando nanopartículas en una solución de polímeros (óxido de polietileno) y cambiando la velocidad de cristalización variando el grado de subenfriamiento (es decir, qué tan por debajo del punto de fusión se llevó a cabo la cristalización), podían controlar cómo las nanopartículas se autoensamblaban en tres regímenes de escala diferentes:nano, micro, y macrómetro. Cada nanopartícula fue envuelta uniformemente por los polímeros y espaciada uniformemente antes de que comenzara el proceso de cristalización. Luego, las nanopartículas se ensamblaron en láminas (10-100 nm) y las láminas en agregados a microescala (1-10 μm) cuando se cristalizó el polímero.

"Este autoensamblaje controlado es importante porque mejora la rigidez de los materiales mientras los mantiene duros, "dice Kumar." Y los materiales retienen la baja densidad del polímero semicristalino puro para que podamos mantener bajo el peso de un componente estructural, una propiedad que es fundamental 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 a continuación 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 otros sistemas de partículas / polímeros impulsados ​​por aplicaciones, como los sistemas de polilactidas / nanopartículas que pueden diseñarse como nanocompuestos de polímeros biodegradables y sostenibles de próxima generación, y polietileno / sílice, que se utiliza en parachoques de automóviles, edificios y puentes.

"El potencial de reemplazar los materiales estructurales con estos nuevos compuestos podría tener un efecto profundo en los materiales sostenibles, así como en la infraestructura de nuestra nación, "Dice Kumar.