Ali Gooneie simula en su computadora lo que mantiene unido al mundo en su núcleo:átomos, moléculas, cadenas y haces moleculares, luego bultos y fibras, que emergen de estos. Con sus cálculos, El investigador de Empa también puede explicar las propiedades que podemos sentir con las yemas de los dedos:superficies lisas y rugosas, materiales flexibles y rígidos, Sustancias conductoras de calor y aislantes.

Muchas de estas propiedades tienen su origen en el interior de los materiales. Metal o madera, plástico o cerámica, piedra o gel:todos estos se han examinado muchas veces antes. Sin embargo, ¿qué pasa con los materiales compuestos? ¿Cómo surgen las propiedades de tales materiales y cómo pueden alterarse de la manera deseada? Un enfoque tedioso de prueba y error en el laboratorio ya no es suficiente en el entorno de investigación acelerado de hoy. Hoy en día, necesita predicciones asistidas por computadora para poder decidir rápidamente qué camino experimental tomar.

Gooneie es uno de los muchos expertos en simulación por computadora que trabaja en varios laboratorios de investigación en Empa. Estudió tecnología de polímeros en la Universidad Tecnológica de Amirkabir en Teherán y realizó su doctorado en la Universidad de Leoben en Austria. "Aunque después de la carrera de ingeniería me sumergí cada vez más en el mundo de las fórmulas de la física, Nunca perdí el contacto con el mundo real ", dice." Para mí, las simulaciones no son un fin en sí mismas. Los uso para explicar los efectos que observamos en los materiales ".

¿Cómo se siente un cabello? Y sobre todo, ¿Por qué?

Para entender qué está calculando exactamente Gooneie, Vale la pena considerar un material de fibra compuesta de polímero biológico que todos conocemos muy bien:el cabello. Recién lavado se siente suave y flexible. Cuando esté seco crepita como electricidad; y cuando esta mojado, chirría como goma. Podemos cortarlo sáquelo, chamuscarlo, permanente blanquearlo y secarlo con secador. Pero, ¿de dónde vienen todas estas propiedades?

El cabello se compone de aminoácidos individuales, que se combinan para formar proteínas de cadena larga conocidas como queratinas. Estas largas moléculas de queratina se unen para formar hilos y haces de fibras. Un complejo hecho de membranas celulares cementa estos haces de fibras. Estos haces de fibras están revestidos por varias capas de escamas de cuerno muerto que yacen escalonadas una encima de la otra como las escamas de una piña. Por lo tanto, las propiedades del cabello serían inexplicables si solo se consideraran los componentes químicos básicos, los aminoácidos. Comprender la estructura general es fundamental.

Así que déjanos en nuestras mentes, alejarse de la estructura química y ver las moléculas solo como glóbulos, que están conectados como en un collar de perlas. Ahora la imagen ya no está determinada por la química, sino por las colisiones y los efectos de fricción de estas cadenas de perlas. Los expertos utilizan modelos matemáticos burdos para sus cálculos.

Finalmente, llegamos a una dimensión que podemos ver y sentir:el rango milimétrico, donde el cabello se considera un material homogéneo, la estructura fina ya no es importante. Las propiedades macroscópicas del material se pueden describir y predecir utilizando el "método de elementos finitos".

Comprensión detallada de las fibras

Hasta hace solo unos años, No existía tal enfoque multidimensional en el sector de los compuestos poliméricos. Con su investigación en la Universidad de Leoben, Ali Gooneie había refinado este enfoque, lo que lo convertía en un candidato perfecto para Empa. El experto en simulación se mudó a St. Gallen y ahora está realizando una investigación en el laboratorio Advance Fibers de Empa bajo la dirección de Manfred Heuberger.

Uno de los objetivos de la investigación de Heuberger es refinar las fibras sintéticas, un tema económicamente importante:en estos días, alrededor de dos tercios de todas las fibras utilizadas en todo el mundo se producen de forma sintética. Una fibra sintética es considerablemente más que un fino filamento de plástico. Sólo se convierten en "fibras" si su estructura molecular, que comprende pequeños cristales y moléculas alineadas, está orientada hacia las propiedades deseadas, como flexibilidad o firmeza. Solo si se conoce la estructura de la fibra desde la escala nanométrica hasta la micrométrica, las propiedades del producto pueden establecerse específicamente durante el procesamiento.

Compuestos de polímeros conductores

Gooneie ya ha supervisado varios proyectos. Por ejemplo, uno estaba destinado a incrustar nanotubos de carbono (CNT) en una matriz de poliamida. En la dosis correcta, Los CNT pueden dar conductividad eléctrica a un material sintético, lo que hace que este material sea interesante para la industria fotovoltaica. por ejemplo. Pero, ¿cuál es la cantidad perfecta de nanotubos para mezclar? ¿Deberían los tubos tener la misma longitud o una mezcla de longitudes proporcionaría mejores resultados?

Hasta aquí, Ha sido común que los investigadores de compuestos reduzcan y resuelvan el problema en cuestión con una serie de experimentos. Ali Gooneie, sin embargo, aborda el problema desde un ángulo teórico y utiliza sus métodos de simulación multidimensionales. La solución que se le ocurrió:una mezcla de CNT con diferentes longitudes produce la conductividad eléctrica más rápido. Por último, Logró predecir el camino, en el que los nanotubos están dispuestos en el polímero, independientemente de la velocidad, con el que tiene lugar el tratamiento.

Al mismo tiempo se realizaron los cálculos, los investigadores pusieron en marcha su primer experimento:en una extrusora caliente a 245 grados Celsius, mezclaron nanotubos en varias proporciones en la matriz de poliamida. Resultó que una mezcla de 0,15 por ciento en peso produjo los mejores resultados en términos de conductividad eléctrica. De la mano de los experimentos de laboratorio, las matemáticas aplicadas proporcionaron una elegante solución al problema.

Reciclaje suave de PET

Los cálculos de simulación también pueden lograr mucho en proyectos de reciclaje. Los suizos recogieron casi 48, 000 toneladas de botellas de PET en 2018. De esto, la industria ganó 35, 000 toneladas de PET reciclado. El material sintético es muy buscado ya que es mecánicamente resistente, hermético al aire y al gas, y puede soportar altas temperaturas. Sin embargo, El PET no se puede reciclar un número ilimitado de veces. Si el material se vuelve a fundir con demasiada frecuencia, Las reacciones químicas tienen lugar dentro del material:las moléculas se oxidan, reticular y formar grumos, y el material se vuelve viscoso y translúcido.

Un aditivo llamado DOPO-PEPA podría cambiar todo esto. De hecho, el material es un retardante de llama desarrollado por el investigador de Empa, Sabyasachi Gaan, también en el laboratorio de Advance Fibers. Ahora los investigadores quieren explorar si también puede servir como lubricante y conservante para el reciclaje de PET. Gooneie comenzó estimando si DOPO-PEPA se puede mezclar con PET a la temperatura deseada. Luego calculó cómo se movería el collar de perlas de moléculas de PET en la masa fundida, cómo las moléculas de DOPO-PEPA se apretarían entre ellas, y cuándo aparecería un equilibrio en la mezcla.

El resultado:una mezcla de un pequeño porcentaje de DOPO-PEPA ya es suficiente para permitir que el PET reciclado fluya bien. Gracias a las matemáticas superiores en Empa, el reciclaje pronto funcionará mucho mejor.