Μια ερευνητική ομάδα με επικεφαλής το Πανεπιστήμιο της Βιρτζίνια διεξήγαγε μια μελέτη για τα συνειρμικά πολυμερή, ένα είδος υλικού με μοναδικές αυτό-θεραπευόμενες ιδιότητες και ιδιότητες, το οποίο φαίνεται να προκαλεί μια μακροχρόνια κατανόηση του τρόπου λειτουργίας των υλικών σε μοριακό επίπεδο.
Επικεφαλής της μελέτης ήταν ο Liheng Cai, επίκουρος καθηγητής επιστήμης και μηχανικής υλικών και χημικής μηχανικής στο UVA. Ο Cai δήλωσε ότι αυτή η νέα ανακάλυψη έχει ουσιαστική σημασία λόγω των μυριάδων εφαρμογών που έχουν αυτά τα υλικά στην καθημερινή ζωή, που κυμαίνονται από τη μηχανική ανακυκλώσιμων πλαστικών έως τη μηχανική ανθρώπινου ιστού, ακόμη και τον χειρισμό του ιξώδους του χρώματος για να αποτρέψει τη στάλαξη.
Η ανακάλυψη, η οποία δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Επιστολές Φυσικής Ανασκόπησης, ενεργοποιήθηκε από νέα συνειρμικά πολυμερή που αναπτύχθηκαν στο εργαστήριο του Cai στο UVA School of Engineering and Applied Science από τον μεταδιδακτορικό ερευνητή του Shifeng Nian και τον Ph.D. μαθητής Myoeum Kim. Η ανακάλυψη εξελίχθηκε από μια θεωρία που είχε αναπτύξει από κοινού η Cai πριν φτάσει στην UVA το 2018.
Διαβάστε επίσης : «Hangry» βακτήρια – Νέα έρευνα ρίχνει φως στην ασυνήθιστη συμπεριφορά
«Οι Shifeng και Myoeum δημιούργησαν ουσιαστικά μια νέα πειραματική πλατφόρμα για τη μελέτη της δυναμικής των συσχετιστικών πολυμερών με τρόπους που δεν ήταν δυνατοί πριν», είπε ο Cai.
«Αυτό μας έδωσε μια νέα προοπτική για τη συμπεριφορά των πολυμερών και παρέχει ευκαιρίες για να βελτιώσουμε την κατανόησή μας για ιδιαίτερα απαιτητικούς τομείς μελέτης στην επιστήμη των πολυμερών. Και από τεχνολογική άποψη, η έρευνα συμβάλλει στην ανάπτυξη υλικών αυτοίασης με προσαρμοσμένες ιδιότητες».
Τα πολυμερή είναι μακρομόρια που αποτελούνται από επαναλαμβανόμενες μονάδες ή μονομερή. Με την αναδιάταξη ή τον συνδυασμό αυτών των μονάδων και την επεξεργασία με τους δεσμούς τους, οι επιστήμονες μπορούν να σχεδιάσουν πολυμερικά υλικά με συγκεκριμένα χαρακτηριστικά.
Τα πολυμερή μπορούν επίσης να αλλάξουν καταστάσεις, από σκληρά και άκαμπτα, όπως το γυαλί, σε ελαστικά ή ακόμα και ρευστά ανάλογα με παράγοντες όπως η θερμοκρασία ή η δύναμη – για παράδειγμα, σπρώχνοντας ένα στερεό τζελ μέσα από μια υποδερμική βελόνα.
Τα συνειρμικά πολυμερή είναι ιδιαίτερα διακριτικά: τα τμήματα τους – ένας γενικός όρος για μοριακές υπομονάδες με προσαρμόσιμες φυσικές ιδιότητες – συγκρατούνται μεταξύ τους με αναστρέψιμους δεσμούς, που σημαίνει ότι μπορούν να διασπαστούν και να ξανασχηματιστούν.
Αυτή η διαδικασία επιτρέπει μακροσκοπικές ιδιότητες απρόσιτες από τα συμβατικά πολυμερή. Ως αποτέλεσμα, τα συνδετικά πολυμερή παρέχουν λύσεις σε μερικές από τις πιο πιεστικές προκλήσεις στη βιωσιμότητα και την υγεία. Για παράδειγμα, τα συνειρμικά πολυμερή χρησιμοποιούνται ως τροποποιητές ιξώδους στα καύσιμα, για τη δημιουργία σκληρών αυτο-θεραπευόμενων πολυμερών και για την κατασκευή βιοϋλικών με φυσικές ιδιότητες κρίσιμες για τη μηχανική και την αναγέννηση ιστών.
Ένα κλειδί για το έργο της ομάδας UVA ήταν η υπέρβαση ενός υλικού που εμπόδιζε τους ερευνητές για χρόνια. Στο εργαστήριο, οι επιστήμονες εργάζονται με υλικά των οποίων οι δεσμοί μπορούν να σπάσουν και να ξανασχηματιστούν σε «εργαστηριακές χρονικές κλίμακες», δηλαδή μέσα σε χρονικά πλαίσια που μπορούν να παρατηρήσουν μέσω πειραμάτων. Ωστόσο, σε όλα σχεδόν τα υπάρχοντα πειραματικά συστήματα, τα τμήματα συσσωματώνονται σε μικρές ομάδες, γεγονός που εμποδίζει την ακριβή μελέτη της σχέσης μεταξύ αναστρέψιμων δεσμών και συμπεριφοράς πολυμερούς.
Η ομάδα του Cai ανέπτυξε νέους τύπους συνειρμικών πολυμερών όπου οι δεσμοί είναι ομοιόμορφα κατανεμημένοι σε όλο το υλικό και σε ένα ευρύ φάσμα πυκνοτήτων. Για να επιβεβαιώσουν ότι τα υλικά τους δεν σχηματίζουν συστάδες, οι ερευνητές συνεργάστηκαν με τον Mikhail Zhernenkov, έναν επιστήμονα στο Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ. Διεξήγαγαν πειράματα χρησιμοποιώντας ένα εξελιγμένο εργαλείο ακτίνων Χ – τη γραμμή δέσμης διεπαφής μαλακής ύλης – στην Εθνική Πηγή Φωτός ΙΙ Synchrotron για να αποκαλύψουν την εσωτερική σύνθεση των πολυμερών χωρίς να καταστρέψουν τα δείγματα.
Αυτά τα νέα συσχετιστικά πολυμερή επέτρεψαν στην ομάδα του Cai να μελετήσει με ακρίβεια τις επιδράσεις των αναστρέψιμων αλληλεπιδράσεων στη δυναμική των συσχετιστικών πολυμερών.
Η δυναμική και η συμπεριφορά αναφέρονται σε χαρακτηριστικά όπως η θερμοκρασία στην οποία επιβραδύνεται η κίνηση του μορίου σε μια άκαμπτη «γυάλινη» κατάσταση, το ιξώδες (πόσο ελεύθερα ρέει ένα υλικό) και η ελαστικότητα (η ικανότητά του να κουμπώνει πίσω αφού παραμορφωθεί). Ένας συνδυασμός αυτών των χαρακτηριστικών είναι συχνά επιθυμητός για να σχεδιαστεί, για παράδειγμα, ένα βιοϋλικό συμβατό με ανθρώπινο ιστό που μπορεί να ανασυσταθεί μετά την ένεση.
Για 30 χρόνια, ήταν αποδεκτό ότι όταν οι αναστρέψιμοι δεσμοί παραμένουν άθικτοι, λειτουργούν ως διασταυρούμενοι δεσμοί, με αποτέλεσμα ένα ελαστικό υλικό. Αλλά αυτό δεν βρήκε η ομάδα υπό την ηγεσία της UVA.
Σε συνεργασία με τον Shiwang Cheng, επίκουρο καθηγητή στο τμήμα χημικής μηχανικής και επιστήμης υλικών του Πολιτειακού Πανεπιστημίου του Μίσιγκαν και ειδικό στη δυναμική ροής, η ομάδα μέτρησε με ακρίβεια τη συμπεριφορά ροής των πολυμερών τους σε ένα ευρύ φάσμα χρονικών κλιμάκων.
«Αυτό απαιτεί προσεκτικό έλεγχο του τοπικού περιβάλλοντος, όπως η θερμοκρασία και η υγρασία των πολυμερών», είπε ο Cheng. «Με τα χρόνια, το εργαστήριό μου έχει αναπτύξει ένα σύνολο μεθόδων και συστημάτων για να το κάνει».
Η ομάδα διαπίστωσε ότι οι δεσμοί μπορούν να επιβραδύνουν την κίνηση του πολυμερούς και να διαχέουν ενέργεια χωρίς να δημιουργούν ένα ελαστικό δίκτυο. Απροσδόκητα, η έρευνα έδειξε ότι οι αναστρέψιμες αλληλεπιδράσεις επηρεάζουν τις υαλώδεις ιδιότητες των πολυμερών παρά το ιξωδοελαστικό εύρος τους.
«Τα συσχετιστικά πολυμερή μας παρέχουν ένα σύστημα που επιτρέπει τη χωριστή διερεύνηση των επιπτώσεων των αναστρέψιμων αλληλεπιδράσεων στην κίνηση (πολυμερούς) και τη υαλώδη συμπεριφορά», είπε ο Cai. «Αυτό μπορεί να προσφέρει ευκαιρίες για τη βελτίωση της κατανόησης της προκλητικής φυσικής των υαλωδών πολυμερών όπως τα πλαστικά».
Από τα πειράματά τους, η ομάδα του Cai ανέπτυξε επίσης μια νέα μοριακή θεωρία που εξηγεί τη συμπεριφορά των συσχετιστικών πολυμερών, η οποία θα μπορούσε να αλλάξει τη σκέψη για το πώς να τα κατασκευάσει με βελτιστοποιημένες ιδιότητες, όπως η υψηλή ακαμψία και η ταχεία ικανότητα αυτοθεραπείας.
Αναφορά: «Dynamics of Associative Polymers with High Density of Reversible Bonds» των Shifeng Nian, Shalin Patil, Siteng Zhang, Myoeum Kim, Quan Chen, Mikhail Zhernenkov, Ting Ge, Shiwang Cheng και Li-Heng Cai, 31 Μαΐου 2023, Επιστολές Φυσικής Ανασκόπησης.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.228101
Εκτός από τους Nian, Kim, Cheng και Zhernenkov, ο Cai συνεργάστηκε με τον Ting Ge, έναν ειδικό στις υπολογιστικές προσομοιώσεις και επίκουρο καθηγητή χημείας και βιοχημείας στο Πανεπιστήμιο της Νότιας Καρολίνας και τον Quan Chen από το State Key Lab of Polymer Physics and Chemistry στο Changchun Institute of Applied Chemistry, ο οποίος παρείχε τον αρχικό κώδικα για την ανάλυση της συμπεριφοράς ροής των πολυμερών.
Η εργασία, «Dynamics of Associative Polymers with High Density of Reversible Bonds», εμφανίζεται στο τεύχος 2 Ιουνίου του Physical Review Letters, της ναυαρχίδας έκδοσης της American Physical Society, και παρουσιάζεται ως πρόταση εκδοτών — μια διάκριση που δίνεται μόνο σε μία στις έξι αποδέχεται επιστολές. Παρουσιάζεται επίσης ως κύριο άρθρο στο Physics, το διαδικτυακό περιοδικό της κοινωνίας.
Ένα βραβείο CAREER του Εθνικού Ιδρύματος Επιστημών υποστηρίζει την έρευνα της Cai για τα συνειρμικά πολυμερή. Λαμβάνει επίσης χρηματοδότηση από την UVA, συμπεριλαμβανομένου του LaunchPad for Diabetes Fund. Η ερευνητική του ομάδα συνεχίζει να εργάζεται για τη δημιουργία της επιστημονικής βάσης για τη χρήση αυτών των υλικών.
Διαβάστε επίσης :
Πώς η κατανόηση των αλόγων θα μπορούσε να εμπνεύσει περισσότερα αξιόπιστα ρομπότ
Ανακαλύφθηκαν νέα τροποποιημένα νευρωνικά κυκλώματα
