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 todo el mundo 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, El Laboratorio de Investigación del Ejército se asoció con el Prof.Steve Lustig, un nombramiento conjunto de profesores en Northeastern University, para acelerar el desarrollo de polímeros 2-D para aplicaciones militares.

La colaboración con ARL Northeast condujo a un estudio pionero publicado en la revista científica revisada por pares. Macromoléculas . Los editores presentaron la investigación en un artículo de portada.

"Los polímeros 2-D 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 de Soldado en el laboratorio. "Representan una nueva, una clase de materiales relativamente inexplorada con un enorme potencial ".

Según Wetzel, Los polímeros 2-D tienen un efecto muy repetible, patrón simétrico similar a "alambre de gallinero, "que ofrece acceso a más mejoras estructurales en comparación con unidimensional, polímeros lineales como Kevlar.

En un esfuerzo por medir todo el potencial de estos materiales, Los investigadores del ejército han comenzado a diseñar polímeros bidimensionales 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.

Prof. Steve Lustig, un nombramiento conjunto de profesores en 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 2-D simulados.

Para crear correctamente un polímero 2-D que pueda soportar 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 2-D es esencialmente hacer una versión 2-D de Kevlar, "Dijo Lustig." Tenía más de una década de experiencia trabajando con el negocio de Kevlar en varios aspectos de la polimerización de polímeros cristalinos líquidos, procesamiento y propiedades. El equipo de ARL creía que mi experiencia sería útil ".

Lustig explicó que supo por primera vez sobre el laboratorio a mediados de la década de 2000 cuando entró 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 el momento, Lustig trabajó como científico principal en el grupo de física de polímeros de DuPont y se especializó en el desarrollo de herramientas novedosas para la 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 las propiedades del material polimérico 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 intentado resolver problemas de manera integral mediante 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 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. Materiales e interfaces aplicados en 2020.

Incluso después de que Lustig dejó DuPont en 2016, continuó sus colaboraciones con el laboratorio como científico visitante. Poco después de una de sus presentaciones en el 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 el mejor candidato para el puesto.

"La iniciativa ARL Open Campus proporciona una forma 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, pero pudimos 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 conceptuales 2-D.

Como nombramiento conjunto de profesores, Lustig analizó la durabilidad ambiental de los diseños de polímeros 2-D del laboratorio y ejecutó simulaciones por computadora que determinaron qué tan bien soportan condiciones extremas como el calor intenso.

Lustig trabajó junto al 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 2-D llamado marco orgánico covalente amida, conocido como amCOF, y un hipotético polímero 2-D diseñado por el laboratorio llamado grafamida.

"Realizamos una serie de cálculos mecánicos cuánticos de alto nivel llamados dinámica molecular ab initio y estudiaron los cambios en la estructura entre las tres moléculas que miramos, "Dijo Lustig." Una vez que confirmamos que nuestro método podría describir con precisión una molécula conocida como Kevlar, podríamos aplicarlo a moléculas que no conocemos como grafamida y hacer predicciones precisas sobre su comportamiento y propiedades ".

Los resultados del estudio comparativo mostraron que la grafamida podría soportar temperaturas de hasta 700 grados Celsius, que excedió los límites tanto del Kevlar como del material amCOF.

Dada la aceptación del estudio como artículo de portada, Lustig dijo que cree que el último éxito del equipo destaca claramente la importancia de las iniciativas de ARL Open Campus, como los nombramientos conjuntos de profesores.

Lustig expresó su agradecimiento al laboratorio por su cargo y mencionó que veía la oportunidad como una excelente manera de ayudar al Ejército en sus esfuerzos.

"Me involucré con Kevlar en primer lugar porque mi padre era militar de carrera, así que la idea de proteger a tipos como mi papá es realmente importante para mí ". Dijo Lustig." Me siento muy emocionado de poder ofrecer a los soldados nuevos materiales para hacer su trabajo más fácil y seguro ".