Entdeckung stellt 30 Jahre altes Dogma in der assoziativen Polymerforschung in Frage

Eine von der University of Virginia durchgeführte Studie über eine Materialklasse namens assoziative Polymere scheint ein seit langem bestehendes Verständnis darüber in Frage zu stellen, wie die Materialien, die über einzigartige Selbstheilungs- und Fließeigenschaften verfügen, auf molekularer Ebene funktionieren.

Liheng Cai, Assistenzprofessor für Materialwissenschaft und -technik sowie Chemieingenieurwesen an der UVA, der die Studie leitete, sagte, die neue Entdeckung habe wichtige Auswirkungen auf die unzähligen Arten, wie diese Materialien jeden Tag verwendet werden, von der Entwicklung recycelbarer Kunststoffe über die Herstellung menschlicher Gewebe bis hin zur Kontrolle die Konsistenz der Farbe, damit sie nicht tropft.

Die Entdeckung, die in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Briefe zur körperlichen Untersuchung, wurde durch neue assoziative Polymere ermöglicht, die in Cais Labor an der UVA School of Engineering and Applied Science von seinem Postdoktoranden Shifeng Nian und seinem Ph.D. entwickelt wurden. Student Myoeum Kim. Der Durchbruch entstand aus a Theorie Cai war Mitentwickler, bevor er 2018 zu UVA kam.

„Shifeng und Myoeum haben im Wesentlichen eine neuartige experimentelle Plattform geschaffen, um die Dynamik assoziativer Polymere auf eine Weise zu untersuchen, die vorher nicht möglich war“, sagte Cai.

„Dies eröffnet uns eine neue Perspektive auf das Verhalten der Polymere und bietet Möglichkeiten, unser Verständnis besonders anspruchsvoller Forschungsbereiche in der Polymerwissenschaft zu verbessern. Und aus technologischer Sicht trägt die Forschung zur Entwicklung selbstheilender Materialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften bei.“ “

Polymere sind Makromoleküle, die aus sich wiederholenden Einheiten oder Monomeren bestehen. Indem Wissenschaftler diese Einheiten neu anordnen oder kombinieren und an ihren Bindungen herumbasteln, können sie Polymermaterialien mit spezifischen Eigenschaften entwerfen.

Polymere können je nach Faktoren wie Temperatur oder Kraft auch ihren Zustand ändern, von hart und starr wie Glas zu gummiartig oder sogar flüssig – zum Beispiel beim Drücken eines festen Gels durch eine Injektionsnadel.

Besonders charakteristisch sind assoziative Polymere: Ihre Einheiten – ein allgemeiner Begriff für molekulare Untereinheiten mit anpassbaren physikalischen Eigenschaften – werden durch reversible Bindungen zusammengehalten, was bedeutet, dass sie auseinanderbrechen und sich neu bilden können.

Dieser Prozess ermöglicht makroskopische Eigenschaften, die herkömmliche Polymere nicht erreichen können. Daher bieten assoziative Polymere Lösungen für einige der dringendsten Herausforderungen in den Bereichen Nachhaltigkeit und Gesundheit. Assoziative Polymere werden beispielsweise als Viskositätsmodifikatoren in Kraftstoffen, zur Herstellung robuster selbstheilender Polymere und zur Entwicklung von Biomaterialien mit physikalischen Eigenschaften verwendet, die für die Gewebezüchtung und -regeneration entscheidend sind.

Ein Schlüssel zur Arbeit des UVA-Teams war die Überwindung eines Materialmerkmals, das Forscher jahrelang behindert hat. Im Labor arbeiten Wissenschaftler mit Materialien, deren Bindungen auf „Laborzeitskalen“, also innerhalb von Zeitrahmen, die sie durch Experimente beobachten können, aufbrechen und sich neu bilden können. Allerdings aggregieren die Einheiten in fast allen existierenden experimentellen Systemen zu kleinen Clustern, was eine genaue Untersuchung der Beziehung zwischen reversiblen Bindungen und Polymerverhalten verhindert.

Cais Team entwickelte neue Arten von assoziativen Polymeren, bei denen die Bindungen gleichmäßig über das Material verteilt sind und ein breites Spektrum an Dichten aufweisen. Um zu bestätigen, dass ihre Materialien keine Cluster bilden, arbeiteten die Forscher mit Mikhail Zhernenkov zusammen, einem Wissenschaftler am Brookhaven National Laboratory des US-Energieministeriums. Sie führten Experimente mit einem hochentwickelten Röntgengerät – der Soft Matter Interfaces Beamline – an der National Synchrotron Light Source II durch, um den inneren Aufbau der Polymere aufzudecken, ohne die Proben zu beschädigen.

Diese neuen assoziativen Polymere ermöglichten es Cais Team, die Auswirkungen reversibler Wechselwirkungen auf die Dynamik assoziativer Polymere genau zu untersuchen.

Dynamik und Verhalten beziehen sich auf Merkmale wie die Temperatur, bei der die Molekülbewegung in einen starren „glasigen“ Zustand verlangsamt, die Viskosität (wie frei ein Material fließt) und die Elastizität (seine Fähigkeit, nach einer Verformung wieder zurückzuschnappen). Eine Mischung dieser Eigenschaften ist häufig wünschenswert, um beispielsweise ein mit menschlichem Gewebe kompatibles Biomaterial zu entwickeln, das sich nach der Injektion selbst wiederherstellen kann.

Seit 30 Jahren ist man davon ausgegangen, dass die reversiblen Bindungen, wenn sie intakt bleiben, als Vernetzer wirken und ein gummiartiges Material ergeben. Aber das ist nicht das, was das UVA-geführte Team herausgefunden hat.

In Zusammenarbeit mit Shiwang Cheng, einem Assistenzprofessor an der Abteilung für Chemieingenieurwesen und Materialwissenschaften der Michigan State University und Experte für Strömungsdynamik, hat das Team das Fließverhalten ihrer Polymere in einem breiten Zeitbereich präzise gemessen.

„Dies erfordert eine sorgfältige Kontrolle der lokalen Umgebung, etwa der Temperatur und Luftfeuchtigkeit der Polymere“, sagte Cheng. „Im Laufe der Jahre hat mein Labor eine Reihe von Methoden und Systemen dafür entwickelt.“

Das Team fand heraus, dass die Bindungen die Polymerbewegung verlangsamen und Energie ableiten können, ohne ein gummiartiges Netzwerk zu bilden. Unerwarteterweise zeigte die Forschung, dass reversible Wechselwirkungen eher die Glaseigenschaften der Polymere als ihren viskoelastischen Bereich beeinflussen.

„Unsere assoziativen Polymere bieten ein System, das es ermöglicht, die Auswirkungen reversibler Wechselwirkungen separat zu untersuchen [polymer] Bewegung und glasartiges Verhalten“, sagte Cai. „Dies könnte Möglichkeiten bieten, das Verständnis der anspruchsvollen Physik glasartiger Polymere wie Kunststoffe zu verbessern.“

Aus ihren Experimenten entwickelte Cais Team auch eine neue molekulare Theorie, die das Verhalten assoziativer Polymere erklärt und das Denken darüber verändern könnte, wie man sie mit optimierten Eigenschaften wie hoher Steifigkeit und schneller Selbstheilungsfähigkeit konstruieren kann.

Neben Nian, Kim, Cheng und Zhernenkov arbeitete Cai mit Ting Ge, einem Experten für Computersimulationen und Assistenzprofessor für Chemie und Biochemie an der University of South Carolina, und Quan Chen vom State Key Lab of Polymer Physics and Chemistry an der University of South Carolina zusammen Changchun Institute of Applied Chemistry, der den ersten Code zur Analyse des Fließverhaltens von Polymeren lieferte.

Das Papier, „Dynamik assoziativer Polymere mit hoher Dichte reversibler Bindungen,“ erscheint in der Ausgabe vom 2. Juni Briefe zur körperlichen Untersuchungund wird als Vorschlag der Redaktion vorgestellt.