Ali Gooneie simula em seu computador o que mantém o mundo unido em sua essência:átomos, moléculas, cadeias moleculares e feixes - então caroços e fibras, que emergem destes. Com seus cálculos, o pesquisador da Empa também pode explicar propriedades que sentimos com a ponta dos dedos:superfícies lisas e rugosas, materiais flexíveis e rígidos, substâncias condutoras de calor e isolantes.

Muitas dessas propriedades têm sua origem no interior dos materiais. Metal ou madeira, plástico ou cerâmica, pedra ou gel - todos eles foram examinados muitas vezes antes. Contudo, e os materiais compostos? Como surgem as propriedades de tais materiais e como podem ser alteradas da maneira desejada? Uma abordagem tediosa de tentativa e erro no laboratório não é mais suficiente no ambiente de pesquisa acelerado de hoje. Hoje em dia, você precisa de previsões assistidas por computador para decidir rapidamente qual caminho experimental seguir.

Gooneie é um dos muitos especialistas em simulação de computador que trabalham em vários laboratórios de pesquisa na Empa. Ele estudou tecnologia de polímeros na Universidade de Tecnologia de Amirkabir em Teerã e fez seu doutorado na Universidade de Leoben, na Áustria. "Embora depois do meu diploma de engenharia eu tenha mergulhado cada vez mais fundo no mundo das fórmulas da física, Eu nunca perdi contato com o mundo real, "ele diz." Para mim, as simulações não são um fim em si mesmas. Eu os uso para explicar os efeitos que observamos nos materiais. "

Qual é a sensação de um cabelo? E acima de tudo, porque?

Para entender o que exatamente Gooneie está calculando, vale a pena considerar um material de fibra composta de polímero biológico que todos conhecemos muito bem:cabelo. Recentemente lavado, é macio e flexível. Quando está seco, estala como eletricidade; e quando molhado, ele range como borracha. Podemos cortar, puxe-o para fora, chamuscar, permanente, alvejante e seque-o. Mas de onde vêm todas essas propriedades?

O cabelo consiste em aminoácidos individuais, que se combinam para formar proteínas de cadeia longa conhecidas como queratinas. Essas longas moléculas de queratina se unem para formar fios e feixes de fibras. Um complexo feito de membranas celulares une esses feixes de fibras. Esses feixes de fibras são envolvidos por várias camadas de escamas de chifre morto, dispostas umas sobre as outras, como as escamas de uma pinha. Portanto, as propriedades do cabelo seriam inexplicáveis ​​se apenas os blocos de construção químicos básicos - os aminoácidos - fossem considerados. Compreender a estrutura abrangente é crucial.

Então vamos, em nossas mentes, afaste-se da estrutura química e veja as moléculas apenas como glóbulos, que estão conectados como em um colar de pérolas. Agora a imagem não é mais determinada pela química, mas pelas colisões e efeitos de fricção dessas cadeias de pérolas. Os especialistas usam modelos matemáticos grosseiros para seus cálculos.

Eventualmente, chegamos a uma dimensão que podemos ver e sentir:o alcance milimétrico, onde o cabelo é considerado um material homogêneo - a estrutura fina não é mais importante. As propriedades macroscópicas do material podem ser descritas e previstas usando o "método dos elementos finitos".

Compreensão detalhada das fibras

Até poucos anos atrás, não havia tal abordagem multidimensional no setor de compósitos poliméricos. Com sua pesquisa na Universidade de Leoben, Ali Gooneie refinou essa abordagem, o que o tornava um ajuste perfeito para a Empa. O especialista em simulação mudou-se para St. Gallen e agora está conduzindo pesquisas no laboratório de fibras avançadas da Empa sob o comando de Manfred Heuberger.

Um dos objetivos de pesquisa de Heuberger é refinar as fibras sintéticas - um tópico economicamente importante:Hoje em dia, cerca de dois terços de todas as fibras usadas no mundo são produzidas sinteticamente. Uma fibra sintética é consideravelmente mais do que um fino filamento de plástico. Eles só se tornam "fibras" se sua estrutura molecular composta por pequenos cristais e moléculas alinhadas for voltada para as propriedades desejadas - como flexibilidade ou firmeza. Somente se a estrutura da fibra for conhecida desde a escala nanométrica até a escala micrométrica, as propriedades do produto podem ser definidas especificamente durante o processamento.

Compósitos poliméricos condutores

Gooneie já supervisionou vários projetos. Por exemplo, um tinha como objetivo incorporar nanotubos de carbono (CNT) em uma matriz de poliamida. Na dosagem certa, Os CNTs podem dar condutividade elétrica a um material sintético - o que torna este material interessante para a indústria fotovoltaica, por exemplo. Mas qual é a quantidade perfeita de nanotubos para serem misturados? Os tubos deveriam ter o mesmo comprimento ou uma mistura de comprimentos proporcionaria melhores resultados?

Até aqui, tem sido comum para pesquisadores compostos restringir e resolver o problema em questão com uma série de experimentos. Ali Gooneie, Contudo, aborda o problema de um ângulo teórico e usa seus métodos de simulação multidimensional. A solução que ele encontrou:uma mistura de CNT com comprimentos diferentes produz a condutividade elétrica mais rapidamente. Em última análise, ele conseguiu prever o caminho, em que os nanotubos estão dispostos no polímero - independentemente da velocidade, com o qual o processamento ocorre.

Ao mesmo tempo, os cálculos foram realizados, os pesquisadores iniciaram seu primeiro experimento:em uma extrusora quente a 245 graus Celsius, eles misturaram nanotubos em várias proporções na matriz de poliamida. Descobriu-se que uma mistura de 0,15 por cento em peso produziu os melhores resultados em termos de condutividade elétrica. De mãos dadas com experimentos de laboratório, a matemática aplicada forneceu uma solução elegante para o problema.

Reciclagem suave de PET

Os cálculos de simulação também podem alcançar muito em projetos de reciclagem. Os suíços coletaram quase 48, 000 toneladas de garrafas PET em 2018. A partir disso, a indústria ganhou 35, 000 toneladas de PET reciclado. O material sintético é muito procurado por ser mecanicamente resistente, estanque ao ar e ao gás, e pode suportar altas temperaturas. Contudo, PET não pode ser reciclado um número ilimitado de vezes. Se o material for fundido com muita frequência, as reações químicas ocorrem dentro do material:as moléculas oxidam, ligações cruzadas e pedaços de formulário, e o material se torna viscoso e translúcido.

Um aditivo chamado DOPO-PEPA pode mudar tudo isso. Na verdade, o material é um retardante de chama desenvolvido pelo pesquisador da Empa Sabyasachi Gaan, também no laboratório Advance Fibers. Agora os pesquisadores querem explorar se ele também pode servir como lubrificante e conservante para a reciclagem de PET. Gooneie começou estimando se o DOPO-PEPA pode ser misturado ao PET na temperatura desejada. Em seguida, ele calculou como o colar de pérolas de moléculas de PET se moveria no derretimento, como as moléculas DOPO-PEPA se comprimem entre eles, e quando um equilíbrio apareceria na mistura.

O resultado:uma mistura de uma pequena porcentagem de DOPO-PEPA já é suficiente para permitir que o PET reciclado flua bem. Graças à matemática superior da Empa, a reciclagem em breve funcionará com muito mais facilidade.