p Pesquisadores descobriram recentemente uma maneira melhor de fazer uma nova classe de materiais macios - reduzindo um processo que costumava levar cinco meses para três minutos. p Connor Valentine, um Ph.D. em engenharia química. aluna, e Lynn Walker, professor de engenharia química, trabalhar com polímeros diblocos. Polímeros diblocos são moléculas semelhantes a cadeias, onde uma extremidade da cadeia é hidrofóbica, e o outro é hidrofílico. Moléculas como esta são usadas em sabão porque o lado hidrofóbico se agarra à sujeira e ao óleo, mas o lado hidrofílico mantém as moléculas dissolvidas na água.

p Quando essas moléculas são colocadas na água em concentrações altas o suficiente, eles começam a formar aglomerados:as partes hidrofílicas aglomeram-se no centro da bola para evitar a umidade. Os lados hidrofóbicos se organizam em uma camada em forma de escova do lado de fora da bola, proteger o centro hidrofóbico.

p Contudo, conforme você adiciona mais polímeros na água, eles começam a ficar sem espaço e se empilham de forma inteligente e espontânea. Seria como se você estivesse tentando encaixar o número máximo de bolas de tênis em uma caixa - empilharia cuidadosamente cada camada.

p Quando eles formam essas pilhas, eles são chamados de cristais porque os padrões organizacionais se repetirão continuamente em todas as direções. Estruturas cristalinas como esta são encontradas em toda a natureza, inclusive em gemas, metais, e materiais poliméricos. As pessoas têm aproveitado o espaçamento consistente e repetitivo para criar membranas poliméricas para filtrar água e gases. Também há usos potenciais interessantes em novos materiais macios, com aplicações que incluem implantes médicos, adesivos, embalagens sustentáveis ​​de alimentos, produtos de beleza líquidos, e até condimentos.

p Contudo, o problema surge quando os pesquisadores estão tentando fazer estruturas cristalinas específicas. Os engenheiros devem ser capazes de produzir cristais de forma consistente com arranjos e tamanhos específicos para atingir o desempenho do material desejado em escala de mercado. Contudo, problemas de processamento podem surgir quando eles não entendem totalmente as forças que impulsionam a formação do cristal. A mudança de temperatura errada, velocidade de mistura, ou a formulação pode fazer com que os cristais se formem repentinamente, degradar, ou transição para outra organização cristalina. A alteração nas propriedades do material pode congestionar os misturadores, arruinar o equipamento, e resultar em um produto final sem valor.

p Nesse trabalho, o estado cristalino desejado pode levar meses para se formar à temperatura ambiente. Este fator pode causar grandes problemas, com as empresas descobrindo que têm um produto com propriedades completamente diferentes após três meses - talvez seja pesado, ou ficou rígido - ou talvez a empresa tenha que esperar três meses para vender seu produto porque leva muito tempo para obter a consistência de gel desejada.

p "É importante que as pessoas entendam como essas moléculas de polímero se transformam em cristais, "diz Valentine." E não é só se eles se transformarem no cristal que querem; é a taxa disso, a velocidade. Também, Haverá outras fases de cristal presentes? Cada pedaço desse material cristalino será orientado de forma consistente? "

p Valentine e Walker trabalharam com colaboradores da Universidade de Minnesota, que descobriu que a taxa de aquecimento e resfriamento pode produzir estruturas cristalinas intermediárias que duram vários meses. A equipe de Valentine baseou-se no trabalho de seus colaboradores e investigou o impacto do processamento de cisalhamento nessas estruturas cristalinas. O processamento de cisalhamento é um termo amplo que inclui etapas como mistura, quadro, Revestimento, e tremendo - o material está se movendo. A velocidade, duração, e a direção de cisalhamento pode realmente ser importante para materiais como os usados ​​neste trabalho.

p "O ketchup é um ótimo exemplo de por que o processamento de cisalhamento afeta os materiais macios, porque o ketchup tem uma tensão de escoamento e afina quando você o mistura ou processa, "explica Valentine." Se você está tentando tirar ketchup de uma garrafa de vidro e é gel ou sólido, não fluirá. Mas pequenos toques (na parte correta da garrafa) farão o ketchup escorrer muito bem. O cisalhamento está mudando a microestrutura do ketchup, que então altera as propriedades do fluxo. É importante entendermos como o cisalhamento afeta qualquer material com o qual trabalhamos da mesma maneira. "

p Nesse trabalho, os autores usaram um fluxo de cisalhamento oscilatório, que envolve a colocação do gel ou material macio entre duas placas paralelas - onde a placa superior pode girar para frente e para trás. Os pesquisadores podem controlar a velocidade e o comprimento da placa superior. Quando Valentine e sua equipe colocaram os cristais de polímero dibloco nesta célula de cisalhamento, eles foram capazes de fazer com que a fase cristalina mudasse para a estrutura de equilíbrio em três minutos. A equipe de Minnesota já havia descoberto que essa mesma mudança estrutural levava quase cinco meses sentada em temperatura ambiente, sem cisalhamento.

p "O processamento de cisalhamento pode ajudar com a dinâmica, a velocidade, e as taxas de mudança estrutural, não apenas o resultado final, que é algo que as pessoas realmente não pensam, "diz Valentine." Eles costumam pensar quando você cisalha esses materiais, vai mudar a estrutura para algo diferente, mas isso não é necessariamente verdade. "

p A equipe mediu esses resultados visitando o acelerador Síncrotron da Fonte Avançada de Fótons no Laboratório Nacional de Argonne, que é essencialmente um acelerador de partículas de uma milha. Os elétrons são acelerados em torno do círculo da instalação quase à velocidade da luz. Cada vez que eles viram, um feixe de raios-X sai do círculo. Eles usaram esses feixes de raios-X de alta intensidade para medir a estrutura cristalina em tempo real.

p Suas descobertas, publicado em Letras Macro ACS , mostraram que o aumento de velocidade ocorre e detalhou como ajustar os parâmetros de cisalhamento para atingir a taxa desejada de formação de cristais. Eles até descobriram que você pode evitar que a mudança aconteça inteiramente se o cisalhamento ocorrer em frequências muito baixas com ciclos de oscilação muito longos.

p "Fomos capazes de mostrar que esta etapa de processamento de cisalhamento é apenas uma maneira muito controlável de obter a estrutura que você deseja e com que rapidez, "diz Valentine.

p A pesquisa foi em colaboração com Ashish Jayaraman e Mahesh K. Mahanthappa, ambos da Universidade de Minnesota.