Os pesquisadores do Exército alcançaram um avanço na ciência nascente dos polímeros bidimensionais, graças a um programa colaborativo que conta com a ajuda de cientistas e engenheiros líderes no meio acadêmico, conhecido como nomeações conjuntas de professores.

Pesquisadores do Comando de Desenvolvimento de Capacidades de Combate do Exército dos EUA, agora conhecido como DEVCOM, Laboratório de Pesquisa do Exército em parceria com o Prof. Steve Lustig, uma nomeação conjunta do corpo docente na Northeastern University, para acelerar o desenvolvimento de polímeros 2-D para aplicações militares.

A colaboração com a ARL Northeast levou a um estudo inovador publicado na revista científica revisada por pares Macro moléculas . Os editores destacaram a pesquisa em um artigo de capa.

"Os polímeros 2-D foram estudados muito seriamente do ponto de vista sintético por apenas cerca de 10 anos, "disse o Dr. Eric Wetzel, líder da área de pesquisa de Materiais de Soldado no laboratório. "Eles representam um novo, classe de materiais relativamente inexplorada com um potencial tremendo. "

De acordo com Wetzel, Os polímeros 2-D têm uma capacidade muito repetitiva, padrão simétrico semelhante a "rede de galinheiro, "que oferece acesso a mais melhorias estruturais em comparação com a unidimensional, polímeros lineares como Kevlar.

Em um esforço para avaliar todo o potencial desses materiais, Os pesquisadores do Exército começaram a projetar computacionalmente polímeros 2-D na esperança de que possam desenvolver uma alternativa superior às fibras de aramida convencionais para aplicações como armaduras e roupas resistentes ao fogo.

Prof. Steve Lustig, uma nomeação conjunta do corpo docente na Northeastern University, usa sua experiência no setor com a DuPont para ajudar os pesquisadores do Exército a calcular a durabilidade ambiental de polímeros 2-D simulados.

Para criar adequadamente um polímero 2-D que pode resistir às condições do mundo real, Pesquisadores do exército buscaram a ajuda de Lustig, que trabalhou anteriormente na DuPont Central Research &Development por mais de duas décadas antes de se tornar um professor associado com estabilidade na Northeastern University.

"A ideia do projeto de polímero 2-D é essencialmente fazer uma versão 2-D do Kevlar, "Lustig disse." Eu tive mais de uma década de experiência trabalhando com o negócio de Kevlar em vários aspectos da polimerização de polímero líquido-cristalino, processamento e propriedades. A equipe da ARL acredita que meu histórico seria útil. "

Lustig explicou que ele aprendeu sobre o laboratório em meados dos anos 2000, quando entrou em contato com o Dr. Kenneth Strawhecker, um cientista do Exército que havia procurado a DuPont em busca de colaborações na indústria.

No momento, Lustig trabalhou como cientista líder no grupo de física de polímeros da DuPont e se especializou no desenvolvimento de novas ferramentas para mecânica estatística, termodinâmica estatística e simulações moleculares.

Além de sua experiência no lado computacional da pesquisa industrial, ele também conduziu experimentos em síntese química, processamento de polímero, caracterização de propriedades de materiais poliméricos e microscopia de força atômica.

"Nunca tive paciência para ficar em um lugar e me tornar um mestre em apenas uma área muito pequena, "Lustig disse." Eu sempre tentei resolver problemas holisticamente usando experimentos, teoria e computadores. "

Uma vez que Lustig se encontrou com Strawhecker, os dois começaram uma série de colaborações informais que se concentraram no uso da microscopia de força atômica para entender não apenas a estrutura dos materiais de Kevlar, mas também sua resposta à deformação de tração e mecânica de flexão.

A revista científica Macro moléculas apresenta o estudo liderado pelo Exército na capa interna de sua última edição.

A American Chemical Society publicou posteriormente o resultado desta pesquisa como a capa de um jornal científico revisado por pares Materiais Aplicados e Interfaces em 2020.

Mesmo depois que Lustig deixou a DuPont em 2016, ele continuou suas colaborações com o laboratório como cientista visitante. Pouco depois de uma de suas apresentações de seminário no laboratório, ele conheceu Wetzel, que imediatamente reconheceu o valor da experiência da Lustig no setor.

Ao longo de sua interação contínua com Strawhecker e Wetzel, Lustig obteve a oportunidade de se tornar um ARL Joint Faculty Appointment depois de ingressar no Departamento de Engenharia Química da Northeastern University.

Devido à sua proximidade com o campus Nordeste da ARL, Strawhecker e Wetzel viram Lustig como um dos principais candidatos para a posição.

"A ARL Open Campus Initiative fornece uma maneira de aproveitar a experiência externa que pode não existir em nosso laboratório, "Disse Wetzel." A nomeação conjunta do corpo docente é uma construção nova dentro do Campus Aberto que existe há apenas alguns anos, mas conseguimos integrar um especialista com anos de experiência na DuPont em nosso programa de pesquisa graças a esse mecanismo. "

De acordo com Wetzel, A longa história da Lustig com projetos de desenvolvimento de fibra de alto desempenho na DuPont proporcionou aos pesquisadores do Exército acesso a recursos de modelagem exclusivos, bem como orientação inestimável sobre os métodos e técnicas que aumentariam a estabilidade de seus polímeros 2-D conceituais.

Como uma nomeação conjunta do corpo docente, Lustig analisou a durabilidade ambiental dos projetos de polímeros 2-D do laboratório e fez simulações de computador que determinaram quão bem eles suportam condições extremas, como calor intenso.

Lustig trabalhou ao lado do Dr. Jan Andzelm, um cientista do Exército e bolsista da ARL cuja experiência em simulações moleculares de polímeros foi crítica para a execução dos cálculos.

Por meio dessas simulações de computador, os pesquisadores compararam a estabilidade térmica do polímero 1D Kevlar, um polímero 2-D denominado estrutura orgânica covalente de amida, conhecido como amCOF, e um hipotético polímero 2-D projetado pelo laboratório chamado graphamida.

"Fizemos uma série de processos muito precisos, cálculos de mecânica quântica de alto nível chamados de dinâmica molecular ab initio e estudaram as mudanças na estrutura entre as três moléculas que examinamos, "Disse Lustig." Assim que confirmamos que nosso método poderia descrever com precisão uma molécula bem conhecida como o Kevlar, poderíamos aplicá-lo a moléculas que não conhecíamos, como a grafamida, e fazer previsões precisas sobre seu comportamento e propriedades. "

Os resultados do estudo de comparação mostraram que a grafamida pode potencialmente suportar temperaturas de até 700 graus Celsius, que excedeu os limites do Kevlar e do material amCOF.

Dada a aceitação do estudo como artigo de capa, Lustig disse acreditar que o mais recente sucesso da equipe destaca claramente a importância das iniciativas do ARL Open Campus, como as nomeações conjuntas do corpo docente.

Lustig expressou sua gratidão ao laboratório por sua posição e mencionou como viu a oportunidade como uma excelente forma de ajudar o Exército em seus esforços.

"Eu me envolvi com o Kevlar em primeiro lugar porque meu pai era de carreira no Exército, então a ideia de proteger caras como meu pai é muito importante para mim ". Lustig disse." Estou muito animado por podermos oferecer aos soldados novos materiais para tornar seu trabalho mais fácil e seguro. "