Molekulares Design von Polymernetzwerken zur Steuerung der Schalldämpfung

Die Welt ist erfüllt von unzähligen Geräuschen und Vibrationen – den sanften Klängen eines Klaviers, das durch den Flur rauscht, dem entspannenden Schnurren einer Katze, die auf Ihrer Brust liegt, dem nervigen Summen der Bürobeleuchtung. Stellen Sie sich vor, Sie könnten Geräusche einer bestimmten Frequenz gezielt ausblenden.

Forscher der University of Illinois Urbana-Champaign haben Polymernetzwerke mit zwei unterschiedlichen Architekturen und Vernetzungspunkten synthetisiert, die in der Lage sind, Polymerstränge dynamisch auszutauschen, um zu verstehen, wie die Netzwerkkonnektivität und die Bindungsaustauschmechanismen das Gesamtdämpfungsverhalten des Netzwerks steuern. Der Einbau dynamischer Bindungen in das Polymernetzwerk zeigt eine hervorragende Dämpfung von Schall und Vibrationen bei genau definierten Frequenzen.

„Bei dieser Forschung geht es darum, Polymere zu verwenden, um verschiedene Geräusche und Vibrationen zu absorbieren, die bei unterschiedlichen Frequenzen auftreten können“, sagt Chris Evans, Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen, der diese Arbeit leitete. „Wir wollen wissen, wie wir die molekulare Chemie des Polymers so gestalten können, dass wir steuern können, welche Art von Energieabsorptionsfähigkeit es hat.“

Der Ergebnisse dieser neuen Forschung wurden kürzlich veröffentlicht in Naturkommunikation.

Die Möglichkeit, Polymere so anzupassen, dass sie bestimmte Frequenzen absorbieren, kann für den Einsatz in Ohrstöpseln und Helmen für Menschen in der Nähe von Explosionen oder Explosionen sowie in Szenarien mit wiederholter Lärmbelastung einer bestimmten Frequenz, wie etwa bei einem Hubschrauberpiloten, wo eine solche langfristige Belastung möglich ist, von Vorteil sein zu Hörproblemen führen.

Polymere sind langkettige Moleküle, die aus vielen sich wiederholenden Einheiten bestehen. Einige Polymere sind nicht vollständig linear und haben Äste wie Bäume; und andere Polymere sind stark vernetzt, wobei einzelne Polymerketten durch kovalente Bindungen wie ein Netz mit anderen Ketten verbunden sind. Der Vernetzungspunkt ist eine Bindung, die eine Polymerkette mit einer anderen verbindet, und hier können Bindungen ausgetauscht werden.

Dynamische Bindungen innerhalb eines Polymernetzwerks ermöglichen es ihm, seine Struktur als Reaktion auf eine Änderung der Umgebung (hohe Temperatur, pH-Wert, UV-Lichteinwirkung usw.) neu zu ordnen. Der Ersatz einiger kovalenter Bindungen in vernetzten Polymerstrukturen durch dynamische Bindungen kann die Eigenschaften des Polymers verbessern, wie z. B. den Modul – die Steifigkeit des Materials – und die Viskosität – wie leicht das Material fließt. Dynamische Bindungen verleihen Materialien einzigartige Eigenschaften wie Selbstheilung, Superdehnbarkeit, Klebeeigenschaften und Materialzähigkeit aufgrund der Modifikation der viskoelastischen Eigenschaften.

„Der entscheidende Fortschritt besteht darin, dass wir dynamische kovalente Bindungen verwenden“, erklärt Evans. „Es sind chemische Bindungen, aber sie können sich untereinander austauschen (der dynamische Teil) und wenn zwei unterschiedliche chemische Verbindungen verwendet werden, können sie sich in sehr unterschiedlichen Zeitskalen austauschen (der orthogonale Teil). Wir verwenden diesen Prozess, um zu versuchen, zu kontrollieren, was.“ Schall- und Vibrationsfrequenzen, die wir absorbieren.

Durch die Einbeziehung orthogonaler Bindungen, bei denen schnelle Bindungen nur mit anderen schnellen Bindungen und langsame Bindungen nur mit anderen langsamen Bindungen ausgetauscht werden können, werden mehrere und gut getrennte Relaxationsmodi erzeugt, die dem Netzwerk eine hervorragende Dämpfung und verbesserte mechanische Eigenschaften wie Zähigkeit verleihen.

Das Team stellte eine Reihe von Polymeren her, die über kontrollierte Arten von Architekturen und Grundgerüsten verfügten, und untersuchte die Art und Weise, wie die Polymerketten verbunden sind. Evans sagt, dass es tatsächlich einen großen Unterschied macht, wie die Polymerketten verbunden sind, um die Energiedissipationsprozesse in ganz bestimmten Zeitskalen zu erreichen, die ganz bestimmten Schallwellen oder Vibrationen entsprechen würden. Wenn die Ketten nur an den Enden verknüpft sind, ist dies nicht so effektiv wie eine periodische Verknüpfung entlang des Kettenrückgrats.

Eine der größten Einschränkungen bei den in dieser Forschung verwendeten Materialien besteht jedoch darin, dass sie letztendlich fließen. Zum Beispiel behalten Gummibänder ihre Form, aber wenn diese dynamischen Bindungen hinzugefügt werden, werden sie irgendwann immer fließen, wie alberner Kitt. Das ist zum Beispiel für einen Soldatenhelm in Ordnung, bei dem das Material in der Helmschale eingeschlossen ist, aber nicht so sehr für einen Ohrstöpsel. Evans sagt, seine Gruppe arbeite daran, das Polymer zu einem eigenständigeren Material zu machen, und in Zukunft würden sie gerne dynamischere Bindungen einbauen, damit das Polymer nicht nur auf eine bestimmte Frequenz zugeschnitten ist, sondern aber für einen viel größeren Frequenzbereich.

Chris Evans ist außerdem Mitglied des Materials Research Laboratory und des Beckman Institute for Advanced Science and Technology an der UIUC.

Weitere Mitwirkende an dieser Arbeit sind Sirui Ge (Abteilung für Materialwissenschaft und -technik und Materialforschungslabor an der UIUC) und Yu-Hsuan Tsao (Abteilung für Materialwissenschaft und -technik und Materialforschungslabor an der UIUC).