Considere la humilde llanta. Sentado afuera en un gélido día de invierno es duro como una piedra, sin embargo, al girar bajo un corredor de carreras, un neumático se vuelve cálidamente flexible. Para materiales de uso diario, del vidrio al caucho al plástico, estos cambios fundamentales de comportamiento están determinados por la temperatura de transición vítrea.

Para ingenieros que intentan crear materiales novedosos como plásticos resistentes a la temperatura o vidrio flexible, la temperatura de transición es crítica. Sin embargo, no se comprende bien especialmente en el nivel de los bloques de construcción moleculares de la materia:la nanoescala, meras mil millonésimas de metro de tamaño. En este reino diminuto, Los ingenieros necesitan controlar la temperatura de transición con una precisión sin precedentes para crear materiales avanzados con propiedades revolucionarias.

El trabajo fue el foco del tiempo de Dane Christie como estudiante de posgrado en ingeniería química y biológica en Princeton. Ahora, científico de materiales en Corning Inc., Christie encabezó el desarrollo de una herramienta que investiga la transición templada en el nivel de nanoescala como su tesis doctoral. Richard Register, el Profesor Eugene Higgins de Ingeniería Química y Biológica, y Rodney Priestley, profesor asociado de ingeniería química y biológica, co-asesoró a Christie durante su proyecto. Los profesores de Princeton son coautores con Christie en dos estudios que describen la herramienta y sus primeros hallazgos. publicado en Ciencia Central ACS en febrero de 2018 y Cartas de revisión física en diciembre de 2018.

La nueva herramienta mide las temperaturas de transición en sustancias compuestas por dos tipos de plásticos, o polímeros. Los dos polímeros no se mezclan uniformemente, en lugar de formar regiones ricas en un polímero u otro. Las temperaturas de transición en estas regiones a menudo no coinciden con las temperaturas normales de los polímeros originales, planteando problemas en el diseño, fabricación y despliegue de materiales a nanoescala.

Debido a que los dos polímeros resisten la mezcla, la concentración de cada componente de polímero a menudo varía sustancialmente en áreas diminutas. Por lo tanto, para comprender las diferentes temperaturas de transición en una mezcla de polímeros, los científicos necesitan medir con precisión las concentraciones en múltiples puntos en escalas pequeñas.

La herramienta Princeton logra esto uniendo "etiquetas" informadoras fluorescentes para seleccionar moléculas en cada uno de los polímeros. El brillo de las etiquetas depende de si la región molecular en la que se encuentran es vítrea o gomosa. De este modo, la herramienta revela la temperatura de transición local, ofreciendo información sobre los factores que influyen en este determinante tan importante del comportamiento material.

"Esta información resuelta espacialmente se ha buscado durante mucho tiempo, pero nadie conocía la forma de abordar el problema, dado que no tenemos sondas mecánicas que puedan medir la temperatura de transición en la escala nanométrica, ", dijo Register." Ahora que hemos demostrado el enfoque, nosotros y otros en el campo podemos usarlo o desarrollarlo para interrogar a otros sistemas complejos de polímeros ".

A Register y Priestley se les ocurrió la idea general del proyecto de tesis de Christie como parte de una propuesta del Grupo de Investigación Interdisciplinaria en el Centro de Materiales Complejos de Princeton, donde Priestley es director asociado. Después de identificar inicialmente el sistema de polímeros que querían que estudiara, Christie corrió con eso. Creó varios polímeros en el laboratorio, caracterizó su estructura molecular y realizó las mediciones de fluorescencia.

"Sinteticé una tonelada de polímeros, ", dijo Christie." Debo haber sintetizado más de 60 arquitecturas de polímeros únicas para completar este estudio ".

Christie realizó el trabajo de síntesis de polímeros en el laboratorio de Register e hizo la caracterización de materiales en el laboratorio de Priestley. A lo largo del proyecto, Register y Priestley asesoraron de cerca a Christie, a través de reuniones individuales y grupales, guiándolo en colaboración mientras su trabajo comenzaba a brindar información importante sobre la química de polímeros nanoestructurados.

"Cada uno de nosotros aportó nuestros conocimientos y fortalezas a la colaboración:el mío en la síntesis y caracterización de copolímeros en bloque, Varillas en las mediciones de fluorescencia y la transición vítrea, "dijo Register.

El sistema modelo examinado durante el proyecto consistió en una combinación de dos polímeros, PMMA y PBMA. El primero es un vidrio acrílico, con nombres comerciales como Plexiglas, mientras que este último se encuentra en pinturas y también en stents cardiovasculares. Los investigadores eligieron estos polímeros en particular debido a la dramática diferencia en sus temperaturas de transición:105 grados Celsius (221 grados Fahrenheit) para PMMA y 20 grados Celsius (68 grados Fahrenheit) para PBMA. Esta gran división hizo que las perturbaciones de la temperatura de transición fueran más fáciles de observar y cuantificar. Más lejos, la composición química de las dos sustancias permitió colocar una unidad polimérica especial con una molécula sensible a la luz en cualquier posición deseada dentro de las estructuras en forma de cadena de las sustancias. El enfoque dirigido permitió a Christie tomar mediciones de fluorescencia informando sobre la temperatura de transición en cualquier lugar dentro de los polímeros mezclados.

Cuando se analiza con la ayuda de un modelo computacional, las mediciones sacaron a la luz el funcionamiento interno de las interacciones de los dos polímeros. Las moléculas individuales de cada polímero se vieron afectadas en su temperatura de transición no solo por sus concentraciones locales variables, sino también por su proximidad y unión de enlaces químicos a regiones de diferentes concentraciones, como se muestra en el ACS Central Science Paper.

los Cartas de revisión física el papel refinó esto aún más. Para este estudio de seguimiento, Christie colgó etiquetas fluorescentes en cadenas de polímero lejos de la interfaz de dos regiones moleculares, probar el impacto de la cercanía frente a la vinculación real. Este estudio indicó que el último mecanismo de unión tuvo el efecto más significativo sobre la temperatura de transición.

"Resistente a la teoría fundamental y mal definido en el experimento, pero fundamental para tantos procesos y aplicaciones, la transición vítrea representa un desafío duradero en la ciencia de los polímeros, "escribió Timothy Lodge, profesor de ingeniería química y ciencia de los materiales en la Universidad de Minnesota, en un comentario en Ciencia Central ACS sobre el trabajo de los investigadores de Princeton.

"A través de una elegante combinación de síntesis avanzada y experimentos precisos, Christie, Register y Priestley informan sobre la primera medición directa de la temperatura de transición en función de la ubicación dentro de un material polimérico nanoestructurado a granel, "escribió Lodge, que no participó en la investigación. "Este trabajo abre la puerta a una amplia gama de estudios adicionales".

Dichos estudios podrían centrarse en una mejor comprensión y mejora de los tipos familiares de polímeros rellenos, como los que constituyen los neumáticos de caucho. Otras formas de avanzar incluyen la ingeniería de nuevos materiales prometedores basados ​​en nanocompuestos, que pueden exhibir una extrema flexibilidad o resistencia al estrés. Otras aplicaciones incluyen el diseño de membranas artificiales para su uso en pilas de combustible, Baterías avanzadas y tratamiento de agua.

"Si bien usamos una etiqueta particular y una química de polimerización para nuestro sistema, el enfoque general no se limita a eso, ", dijo Priestley." El enfoque que todos desarrollamos y Dane ejecutó con tanto éxito podría ahora aplicarse a complejos sistemas de polímeros de interés práctico ".