Los investigadores descubrieron recientemente una mejor manera de hacer una nueva clase de materiales blandos, reduciendo un proceso que solía llevar cinco meses a tres minutos.

Connor Valentine, un doctorado en ingeniería química. estudiante, y Lynn Walker, profesor de ingeniería química, trabajar con polímeros diblock. Los polímeros Diblock son moléculas en forma de cadena donde un extremo de la cadena es hidrofóbico, y el otro es hidrofílico. Moléculas como esta se utilizan en el jabón porque el lado hidrofóbico se adhiere a la suciedad y al aceite, pero el lado hidrofílico mantiene las moléculas disueltas en el agua.

Cuando estas moléculas se colocan en agua en concentraciones suficientemente altas, comienzan a formar racimos:las partes hidrofílicas se agrupan en el centro de la bola para evitar la humedad. Los lados hidrofóbicos se organizan en una capa similar a un cepillo en el exterior de la bola, protegiendo el centro hidrofóbico.

Sin embargo, a medida que agrega más polímeros al agua, empiezan a quedarse sin espacio y se apilan de forma inteligente y espontánea. Sería como si estuvieras tratando de colocar el número máximo de pelotas de tenis en una caja:apilarías cuidadosamente cada capa.

Cuando forman estas pilas, se llaman cristales porque los patrones organizativos se repetirán una y otra vez en todas direcciones. Estructuras cristalinas como esta se encuentran en toda la naturaleza, incluso en piedras preciosas, rieles, y materiales poliméricos. La gente ha aprovechado el espaciado constante y repetido para crear membranas poliméricas para filtrar agua y gases. También existen interesantes usos potenciales en nuevos materiales blandos, con aplicaciones que incluyen implantes médicos, adhesivos, envasado de alimentos sostenible, productos de belleza líquidos, e incluso condimentos.

Sin embargo, el problema surge cuando los investigadores intentan crear estructuras cristalinas específicas. Los ingenieros deben poder producir cristales consistentemente con disposiciones y tamaños específicos para lograr el rendimiento del material deseado a escala de mercado. Sin embargo, Pueden surgir problemas de procesamiento cuando no comprenden completamente las fuerzas que impulsan la formación de cristales. El cambio de temperatura incorrecto velocidad de mezcla, o la formulación puede hacer que se formen cristales repentinamente, degradar, o transición a otra organización cristalina. El cambio que acompaña a las propiedades del material puede atascar los mezcladores, equipo de ruina, y dar como resultado un producto final sin valor.

En este trabajo, el estado cristalino deseado puede tardar meses en formarse a temperatura ambiente. Este factor puede causar grandes problemas, con las empresas que descubren que tienen un producto con propiedades completamente diferentes después de tres meses, tal vez es grueso, o se vuelve rígido, o tal vez la empresa tiene que esperar tres meses para vender su producto porque lleva tanto tiempo obtener la consistencia de gel que desean.

"Es importante que la gente comprenda cómo estas moléculas de polímero se convertirán en cristales, "dice Valentine." Y eso no es solo si se convierten en el cristal que quieren; es la tasa de la misma, la velocidad. También, ¿Habrá otras fases cristalinas presentes? ¿Cada pieza de ese material cristalino se orientará de manera consistente? "

Valentine y Walker trabajaron con colaboradores de la Universidad de Minnesota, quienes descubrieron que la velocidad de calentamiento y enfriamiento puede producir estructuras cristalinas intermedias que duran varios meses. El equipo de Valentine se basó en el trabajo de sus colaboradores e investigó el impacto del procesamiento por cizallamiento en estas estructuras de cristal. El procesamiento por cizallamiento es un término amplio que incluye pasos como mezclar, cuadro, revestimiento, y temblando:el material se está moviendo. La velocidad, duración, y la dirección de cizallamiento puede ser importante para materiales como los que se utilizan en este trabajo.

"El ketchup es un gran ejemplo de por qué el procesamiento por cizallamiento afecta a los materiales blandos porque el ketchup tiene un límite elástico y se adelgaza cuando se mezcla o procesa. "explica Valentine." Si estás tratando de sacar el ketchup de una botella de vidrio y es un gel o un sólido, no fluirá. Pero pequeños grifos (en la parte correcta de la botella) harán que la salsa de tomate fluya muy bien. La cizalla está cambiando la microestructura de la salsa de tomate, que luego cambia las propiedades del flujo. Es importante que entendamos cómo el cizallamiento impacta de la misma manera en cualquier material con el que trabajamos ".

En este trabajo, los autores utilizaron un flujo de cizallamiento oscilatorio, que implica colocar el gel o material blando entre dos placas paralelas, donde la placa superior puede girar hacia adelante y hacia atrás. Los investigadores pueden controlar la velocidad y la longitud de la placa superior. Cuando Valentine y su equipo colocaron los cristales de polímero dibloque en esta celda de corte, pudieron hacer que la fase cristalina cambiara a la estructura de equilibrio en tres minutos. El equipo de Minnesota había descubierto previamente que este mismo cambio estructural requería casi cinco meses sentado a temperatura ambiente sin cizallamiento.

"El procesamiento de cizallamiento puede ayudar con la dinámica, la velocidad, y las tasas de cambio estructural, no solo el resultado final, que es algo en lo que la gente realmente no piensa, "dice Valentine." A menudo piensan que cuando se cortan estos materiales, va a cambiar la estructura a algo diferente, pero eso no es necesariamente cierto ".

El equipo midió estos resultados visitando el acelerador de sincrotrón de fuente de fotones avanzada en el Laboratorio Nacional de Argonne, que es esencialmente un acelerador de partículas de una milla de ancho. Los electrones se aceleran alrededor del círculo de la instalación casi a la velocidad de la luz. Cada vez que giran un rayo de rayos X sale del círculo. Utilizaron estos haces de rayos X de alta intensidad para medir la estructura cristalina en tiempo real.

Sus hallazgos, publicado en Cartas macro ACS , mostró que se produce el aumento de velocidad y detalló cómo ajustar los parámetros de cizallamiento para lograr la tasa deseada de formación de cristales. Incluso descubrieron que puede evitar que el cambio ocurra por completo si la cizalla se produce a frecuencias muy bajas con ciclos de oscilación muy largos.

"Pudimos demostrar que este paso de procesamiento de cizalla es solo una forma muy controlable de obtener la estructura que desea y la rapidez con la que la desea, "dice Valentine.

La investigación fue en colaboración con Ashish Jayaraman y Mahesh K. Mahanthappa, ambos de la Universidad de Minnesota.