p Pesquisadores da Columbia Engineering demonstraram pela primeira vez uma nova técnica que se inspira no nácar de conchas de ostra, um material composto que possui propriedades mecânicas extraordinárias, incluindo grande força e resiliência. Ao alterar a velocidade de cristalização de um polímero inicialmente bem misturado com nanopartículas, a equipe foi capaz de controlar como as nanopartículas se montam em estruturas em três regimes de escala de comprimento muito diferentes. Esta ordenação multiescala pode tornar o material de base quase uma ordem de grandeza mais rígido, ao mesmo tempo que mantém a deformabilidade desejada e o comportamento leve dos materiais poliméricos. O estudo, liderado por Sanat Kumar, Professor de Engenharia Química Bykhovsky, é publicado em 7 de junho online em ACS Central Science . p "Essencialmente, criamos um método de uma etapa para construir um material composto que é significativamente mais forte do que seu material hospedeiro, "diz Kumar, um especialista em dinâmica de polímeros e automontagem. "Nossa técnica pode melhorar as propriedades mecânicas e potencialmente outras propriedades físicas de materiais plásticos comercialmente relevantes, com aplicações em automóveis, Revestimentos protectores, e embalagens de alimentos / bebidas, coisas que usamos todos os dias. E, olhando mais adiante, podemos também ser capazes de produzir propriedades eletrônicas ou ópticas interessantes dos materiais nanocompósitos, potencialmente permitindo a fabricação de novos materiais e dispositivos funcionais que podem ser usados ​​em aplicações estruturais, como edifícios, mas com a capacidade de monitorar sua saúde in situ. "

p Cerca de 75 por cento dos polímeros usados ​​comercialmente, incluindo polietileno usado para embalagens e polipropileno para garrafas, são semicristalinos. Esses materiais têm baixa resistência mecânica e, portanto, não podem ser usados ​​para muitas aplicações avançadas, como acessórios para automóveis, como pneus, fanbelts, pára-choques, etc. Os pesquisadores sabem há décadas, voltando ao início de 1900, que variando a dispersão de nanopartículas no polímero, metal, e as matrizes cerâmicas podem melhorar drasticamente as propriedades do material. Um bom exemplo na natureza é nácar, que é 95 por cento de aragonita inorgânica e 5 por cento de polímero cristalino (quitina); sua ordenação hierárquica de nanopartículas - uma mistura de plaquetas quebradiças intercaladas e camadas finas de biopolímeros elásticos - melhora fortemente suas propriedades mecânicas. Além disso, camadas paralelas de aragonita, mantidos juntos por uma camada de biopolímero cristalino em nanoescala (? 10 nm de espessura), formam "tijolos" que subsequentemente se montam em superestruturas de "tijolo e argamassa" na escala micrométrica e maiores. Esta estrutura, em vários tamanhos de comprimento, aumenta muito sua resistência.

p "Embora alcançar a montagem espontânea de nanopartículas em uma hierarquia de escalas em um hospedeiro de polímero tenha sido um 'Santo Graal' na nanociência, até agora não houve nenhum método estabelecido para atingir este objetivo, "diz Dan Zhao, Aluno de doutorado de Kumar e primeiro autor deste artigo. “Enfrentamos esse desafio por meio de sistemas controlados, montagem multiescala de nanopartículas, alavancando a cinética de cristalização do polímero. "

p Embora os pesquisadores com foco em nanocompósitos de polímero tenham alcançado o controle fácil da organização das nanopartículas em uma matriz de polímero amorfa (ou seja, o polímero não cristaliza), até o momento, ninguém foi capaz de ajustar a montagem de nanopartículas em uma matriz polimérica cristalina. Uma abordagem relacionada contou com modelagem de gelo. Usando esta técnica, investigadores cristalizaram pequenas moléculas (predominantemente água) para organizar partículas colóides, mas, devido à cinética intrínseca desses processos, as partículas são normalmente expelidas para os limites dos grãos em microescala, e, portanto, os pesquisadores não foram capazes de ordenar as nanopartículas nas múltiplas escalas necessárias para imitar a nácar.

p O grupo de Kumar, especialistas em ajustar a estrutura e, portanto, as propriedades dos nanocompósitos de polímero, achar algo, misturando nanopartículas em uma solução de polímeros (óxido de polietileno) e alterando a velocidade de cristalização variando o grau de sub-resfriamento (ou seja, até que ponto abaixo do ponto de fusão a cristalização foi conduzida), eles poderiam controlar como as nanopartículas se auto-organizam em três regimes de escala diferentes:nano, micro, e macro-medidor. Cada nanopartícula foi uniformemente envolvida pelos polímeros e uniformemente espaçada antes do início do processo de cristalização. As nanopartículas então montadas em folhas (10-100 nm) e as folhas em agregados na microescala (1-10 μm) quando o polímero foi cristalizado.

p "Esta automontagem controlada é importante porque melhora a rigidez dos materiais ao mesmo tempo que os mantém resistentes, "diz Kumar." E os materiais retêm a baixa densidade do polímero semicristalino puro para que possamos manter o peso de um componente estrutural baixo, uma propriedade que é crítica para aplicações como carros e aviões, onde o peso é uma consideração crítica. Com nossa abordagem versátil, podemos variar a partícula ou o polímero para atingir algum comportamento específico do material ou desempenho do dispositivo. "

p A equipe de Kumar planeja examinar os fundamentos que permitem que as partículas se movam em direção a certas regiões do sistema, e desenvolver métodos para acelerar a cinética de ordenação de partículas, o que atualmente leva alguns dias. Eles, então, planejam explorar outros sistemas de partículas / polímeros voltados para a aplicação, tais como sistemas de polilactídeo / nanopartículas que podem ser projetados como nanocompósitos de polímero biodegradáveis ​​e sustentáveis ​​de próxima geração, e polietileno / sílica, que é usado em pára-choques de carros, edifícios, e pontes.

p "O potencial de substituição de materiais estruturais por esses novos compósitos pode ter um efeito profundo em materiais sustentáveis, bem como na infraestrutura de nossa nação, "Kumar diz.