I ricercatori della Columbia Engineering hanno dimostrato per la prima volta una nuova tecnica che prende ispirazione dalla madreperla dei gusci di ostrica, un materiale composito dalle straordinarie proprietà meccaniche, tra cui grande forza e resilienza. Modificando la velocità di cristallizzazione di un polimero inizialmente ben miscelato con nanoparticelle, il team è stato in grado di controllare il modo in cui le nanoparticelle si autoassemblano in strutture a tre regimi di scala di lunghezza molto diversi. Questo ordinamento multiscala può rendere il materiale di base quasi un ordine di grandezza più rigido pur mantenendo la deformabilità desiderata e il comportamento leggero dei materiali polimerici. Lo studio, guidato da Sanat Kumar, Bykhovsky Professore di ingegneria chimica, è pubblicato il 7 giugno online in Scienze Centrali ACS .

"Essenzialmente, abbiamo creato un metodo in un solo passaggio per costruire un materiale composito che è significativamente più forte del suo materiale ospite, "dice Kumar, un esperto in dinamica dei polimeri e autoassemblaggio. "La nostra tecnica può migliorare le proprietà meccaniche e potenzialmente altre proprietà fisiche dei materiali plastici commercialmente rilevanti, con applicazioni in automobili, rivestimenti protettivi, e imballaggi per alimenti/bevande, Cose che usiamo ogni giorno. E, guardando più avanti, potremmo anche essere in grado di produrre interessanti proprietà elettroniche o ottiche dei materiali nanocompositi, potenzialmente consentendo la fabbricazione di nuovi materiali e dispositivi funzionali che possono essere utilizzati in applicazioni strutturali come edifici, ma con la possibilità di monitorare la loro salute in situ".

Circa il 75% dei polimeri utilizzati in commercio, compreso il polietilene utilizzato per l'imballaggio e il polipropilene per le bottiglie, sono semicristallini. Questi materiali hanno una bassa resistenza meccanica e quindi non possono essere utilizzati per molte applicazioni avanzate, come accessori per automobili come pneumatici, fanbelt, paraurti, ecc. I ricercatori sanno da decenni, risalendo ai primi del '900, quella dispersione variabile di nanoparticelle nel polimero, metallo, e le matrici ceramiche possono migliorare notevolmente le proprietà dei materiali. Un buon esempio in natura è la madreperla, che è il 95% di aragonite inorganica e il 5% di polimero cristallino (chitina); il suo ordinamento gerarchico delle nanoparticelle, una miscela di piastrine fragili intercalate e strati sottili di biopolimeri elastici, migliora notevolmente le sue proprietà meccaniche. Inoltre, strati paralleli di aragonite, tenuti insieme da uno strato di biopolimero cristallino su nanoscala (spessore 10 nm), formano "mattoni" che successivamente si assemblano in sovrastrutture "mattone e malta" su scala micrometrica e più grandi. Questa struttura, a più taglie di lunghezza, aumenta notevolmente la sua tenacità.

"Sebbene il raggiungimento dell'assemblaggio spontaneo di nanoparticelle in una gerarchia di scale in un ospite polimerico sia stato un 'Santo Graal' nella nanoscienza, fino ad ora non è stato stabilito un metodo per raggiungere questo obiettivo, "dice Dan Zhao, Dottorando di Kumar e primo autore di questo articolo. "Abbiamo affrontato questa sfida attraverso il controllo, assemblaggio multiscala di nanoparticelle sfruttando la cinetica della cristallizzazione dei polimeri".

Mentre i ricercatori concentrandosi sui nanocompositi polimerici hanno ottenuto un facile controllo dell'organizzazione delle nanoparticelle in una matrice polimerica amorfa (cioè il polimero non cristallizza), fino ad oggi nessuno è stato in grado di mettere a punto l'assemblaggio delle nanoparticelle in una matrice polimerica cristallina. Un approccio correlato si basava sulla modellazione del ghiaccio. Utilizzando questa tecnica, i ricercatori hanno cristallizzato piccole molecole (prevalentemente acqua) per organizzare le particelle colloidali, ma, a causa della cinetica intrinseca di questi processi, le particelle vengono normalmente espulse nei bordi dei grani su microscala, e così i ricercatori non sono stati in grado di ordinare le nanoparticelle attraverso le molteplici scale necessarie per imitare la madreperla.

il gruppo di Kumar, esperti nella messa a punto della struttura e quindi delle proprietà dei nanocompositi polimerici, scoperto che, mescolando nanoparticelle in una soluzione di polimeri (ossido di polietilene) e modificando la velocità di cristallizzazione variando il grado di sottoraffreddamento (ovvero quanto al di sotto del punto di fusione è stata condotta la cristallizzazione), potevano controllare come le nanoparticelle si autoassemblavano in tre diversi regimi di scala:nano, micro, e macrometro. Ogni nanoparticella è stata fasciata uniformemente dai polimeri e distanziata uniformemente prima dell'inizio del processo di cristallizzazione. Le nanoparticelle sono state quindi assemblate in fogli (10-100 nm) e i fogli in aggregati su microscala (1-10 μm) quando il polimero è stato cristallizzato.

"Questo autoassemblaggio controllato è importante perché migliora la rigidità dei materiali mantenendoli resistenti, " dice Kumar. "E i materiali mantengono la bassa densità del polimero semicristallino puro in modo da poter mantenere basso il peso di un componente strutturale, una proprietà che è fondamentale per applicazioni come automobili e aerei, dove il peso è una considerazione critica. Con il nostro approccio versatile, possiamo variare la particella o il polimero per ottenere un comportamento specifico del materiale o prestazioni del dispositivo".

Il team di Kumar prevede di esaminare i fondamenti che consentono alle particelle di spostarsi verso determinate regioni del sistema, e sviluppare metodi per accelerare la cinetica dell'ordinamento delle particelle, che attualmente richiede alcuni giorni. Hanno quindi in programma di esplorare altri sistemi polimerici/particelle basati sull'applicazione, come i sistemi di polilattidi/nanoparticelle che possono essere ingegnerizzati come nanocompositi polimerici biodegradabili e sostenibili di nuova generazione, e polietilene/silice, che viene utilizzato nei paraurti delle auto, edifici, e ponti.

"Il potenziale di sostituire i materiali strutturali con questi nuovi compositi potrebbe avere un profondo effetto sui materiali sostenibili e sulle infrastrutture della nostra nazione, " dice Kumar.