Mentre Ralph Colby osserva l'immagine al microscopio di fronte a lui, pensa di poterli distinguere:"shish kebab, " come li chiamano gli scienziati dei polimeri. Nessuno sa con certezza cosa siano, ma queste forme che appaiono in momenti apparentemente imprevedibili quando alcune materie plastiche si raffreddano hanno un grande impatto sulle proprietà complessive della plastica. Non è un grosso problema quando una forchetta di plastica si rompe, ma se una gabbia portante su un aeroplano dovesse rompersi, potrebbe mettere in pericolo le persone.

Colby ha collaborato con altri due ricercatori della Penn State per ottenere una migliore comprensione di base di come la plastica si raffredda da una forma liquida a una solida nello stampaggio a iniezione. Il loro lavoro, che implica alcune nuove tecniche, sta già aiutando i partner del settore.

"In definitiva, speriamo di uscire dalla nostra ricerca con una migliore comprensione di base di come questi polimeri si cristallizzano durante il flusso, e anche la conoscenza per inserire queste informazioni nel software di stampaggio a iniezione, " ha detto Colby, professore di scienze e ingegneria dei materiali.

Dal pellet al prodotto

La maggior parte delle materie plastiche sono prodotte mediante stampaggio a iniezione, un processo attraverso il quale si fondono piccoli granuli di plastica, forzato in uno stampo di una forma e rapidamente raffreddato. In forma fusa, i polimeri sono come una ciotola di spaghetti, con le singole molecole che sono un disordine di noodles. Mentre si raffreddano, iniziano a formare una struttura e questo processo è noto come cristallizzazione. Il modo in cui si formano i cristalli può influenzare la forza, durabilità e altre proprietà del materiale.

L'obiettivo dello stampaggio a iniezione è far sì che i polimeri si orientino e si cristallizzino in un modo specifico. Non è semplice come riscaldare e raffreddare il materiale; piuttosto, richiede la giusta quantità di pressione e temperatura per far sì che le singole molecole giochino bene tra loro e si inseriscano nell'ordine giusto.

Lo stampaggio a iniezione è abbastanza complicato da richiedere l'uso di software per controllare diversi parametri della macchina durante il processo. Quel software si basa su dati di decenni fa che necessitano urgentemente di essere aggiornati, disse Alicyn Rhoades, assistente professore di ingegneria alla Penn State Behrend, che ha un rinomato programma tecnologico di ingegneria delle materie plastiche.

"Dagli anni Cinquanta, gli ingegneri dei polimeri hanno progettato processi di produzione come lo stampaggio a iniezione con dati di base generati con materie plastiche che cambiano di 10 gradi al minuto, ma nella produzione, i polimeri sono soggetti a raffreddamento a una velocità compresa tra 10 e 1, 000 gradi al secondo, " lei disse.

La velocità di trasferimento del calore, dentro o fuori un polimero, fa un'incredibile differenza nel comportamento di un polimero una volta che si è raffreddato. È simile alla cucina, disse Rhoades. Mettere l'impasto della torta nel forno rende un prodotto molto diverso rispetto a metterlo sulla piastra.

Rhoades sapeva che sarebbe stata in grado di raggiungere i livelli di trasferimento di calore rilevanti per lo stampaggio a iniezione se avesse usato un dispositivo noto come calorimetro a scansione differenziale flash, o Flash DSC. La macchina riscalda piccole quantità di polimeri fino a migliaia di gradi in una frazione di secondo.

Rhoades iniziò a discutere la questione con la General Motors Company, e il concetto di ricerca ha colpito immediatamente i loro ingegneri dei polimeri. Nel 2013, GM ha fatto un regalo a Penn State in modo che Rhoades potesse acquistare un Flash DSC.

"Gruppi di tutto il mondo utilizzano il Flash DSC per studiare il vetro o per la ricerca farmaceutica, ma siamo i primi ad usarlo per l'ingegneria delle materie plastiche, " lei disse.

Rhoades si reca spesso al campus dell'University Park per le sue ricerche per utilizzare il Laboratorio di caratterizzazione dei materiali, parte dell'Istituto di ricerca sui materiali. Il laboratorio è progettato per caratterizzare, o quantificare le proprietà di, materiali diversi.

Nella sua ricerca, Rhoades sapeva che le mancava un pezzo cruciale:la reologia, o come si comportano i fluidi durante il flusso.

"Nello stampatore a iniezione, si pressurizza il polimero fuso e lo si spara proprio come una pistola ad acqua in uno stampo sagomato, " ha detto. "Ho cominciato a rendermi conto che c'è così tanta reologia che porta alle condizioni finali di cristallizzazione. Il processo di stampaggio a iniezione è troppo complicato per iniziare subito alla fine e prendere una parte stampata e partire da quella".

Per fortuna, Rhoades conosceva proprio la persona che aveva l'esperienza di reologia dei polimeri per completare il suo background di ingegneria applicata:Colby. I due si erano conosciuti a un evento della National Science Foundation a Washington nel 2014 e avevano programmato di collaborare. Un giorno, durante la consegna dei campioni all'MCL, Rhoades si è presentato senza preavviso nell'ufficio di Colby.

"L'ho posato sul tavolo e in pratica ho detto, ecco cosa posso fare, ma ho bisogno di un buon collaboratore dal lato reologico a causa di quanto il flusso di polimero guida la cristallizzazione, " ha detto. "Ha detto che avevano già iniziato a fare la cristallizzazione dei polimeri a velocità di riscaldamento e raffreddamento lente, ma non potevano raggiungere velocità elevate nel loro laboratorio. La partnership era ovvia ed è andata a buon fine".

Lavorare con Colby ha anche aperto le porte a un secondo collaboratore, Scott Milner, il William H. Joyce Chair Professor presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica, la cui esperienza nella fisica teorica dei polimeri si è aggiunta al background di Rhoades e Colby.

Sempre più caldo (e più fresco)

La maggior parte degli esperimenti del trio imita ciò che accade durante lo stampaggio a iniezione. Prendono un campione di materiale in forma solida, scaldarlo appena sopra il suo punto di fusione, applicare una forza al materiale per simulare come scorre in uno stampo a iniezione e quindi, una volta che il campione è stato lasciato raffreddare, lo studiano.

Per indicare quali tipi di esperimenti dovrebbero eseguire, gli scienziati si basano su teorie su come i polimeri dovrebbero comportarsi in contesti diversi. È qui che entra in gioco l'esperienza teorica di Milner.

"Quando sei uno sperimentatore, potresti pensare, 'Come posso misurarlo meglio di altri? Come posso rilevare qualcosa che altre persone non possono rilevare?'", ha detto Milner. "Come teorico, hai sempre avuto in fondo alla tua mente, "Come posso modellare questo?" e questo cambia la tua prospettiva."

Il lavoro di Milner in questo progetto prevede la modellazione di ciò che accade alle singole molecole polimeriche quando sono soggette alle forze dello stampaggio a iniezione. Esegue simulazioni al computer che risolvono equazioni fisiche per ogni molecola, indicando dove è probabile che ciascuna molecola si muova nel momento successivo e quale forza potrebbe applicare alle molecole vicine. Questo fornisce un'immagine di come le molecole possono essere orientate una volta che si sono raffreddate in una forma statica. La quantità di potenza di calcolo richiesta per questo tipo di lavoro non può essere eseguita su un solo desktop; Invece, Milner si affida al Penn State Institute for CyberScience's Advanced CyberInfrastructure, un solido insieme di strumenti di calcolo della ricerca a disposizione dei ricercatori della Penn State.

Milner collabora con Colby da quando è entrato a far parte della Penn State nel 2008. I due si sono incontrati per la prima volta decenni fa, quando Colby lavorava per Kodak e Milner era un ricercatore post-dottorato con ExxonMobil. Milner cita Colby come uno dei motivi per cui è venuto a Penn State.

"Volevo sapere con che tipo di persone c'erano con cui collaborare, e sembrava attraente che Ralph fosse alla Penn State, " Egli ha detto.

La loro collaborazione ha raggiunto nuove vette quando i due hanno co-consigliato uno studente laureato dal 2012 al 2015. Fu allora che iniziarono a studiare gli effetti del flusso sulla cristallizzazione dei polimeri. Quando Rhoades si unì a Colby, il trio era pronto a tuffarsi nel problema della cristallizzazione indotta dal flusso.

Già i loro esperimenti iniziali hanno mostrato altri misteri che si svolgono all'interno di plastiche liquide soggette a flusso, oltre ai chicchi di riso un po' spontanei e agli shish kebab. Per esempio, se un polimero viene fuso solo brevemente, sembra "ricordare" il suo orientamento molecolare come un solido, ha detto Milner, e si ricristallizza in quello molto più rapidamente che se rimanesse in forma liquida più a lungo.

"La giuria è ancora fuori se io o altri teorici saremo in grado di descrivere meglio cosa sta succedendo usando modelli matematici, " ha detto Milner, "ma abbiamo un quadro molto più chiaro di quello che sta succedendo dagli esperimenti che abbiamo già fatto".

Riattrezzaggio dello stampaggio a iniezione

Ogni nuovo esperimento che il team intraprende è l'ennesimo tentativo di sbirciare sotto il cofano della cristallizzazione dei polimeri, e il loro obiettivo è utilizzare questa nuova conoscenza per aggiornare il software di stampaggio a iniezione. Ciò potrebbe far risparmiare alle aziende centinaia di migliaia di dollari, disse Rhoades, oltre a garantire la durata dei loro prodotti.

"Per tagliare uno stampo d'acciaio, può facilmente costare più di $ 100, 000, " ha detto. "Se poi impari che il tuo stampo deve essere regolato perché il software è spento, un'azienda potrebbe dover demolire il suo stampo e costruirne uno nuovo".

Il team ha lavorato a stretto contatto con due importanti attori nel settore delle materie plastiche:GM, che realizza una varietà di prodotti per l'industria automobilistica, e SKF, specializzata in tecnopolimeri di fascia alta per l'industria aerospaziale. Parte del loro lavoro è già stato inserito nel software di stampaggio a iniezione in modo che preveda in modo più accurato come si comporterà il prodotto in plastica finale.

Ma c'è ancora molto lavoro da fare, e tante incognite da risolvere. La chiave per fare più progressi, Rhoades crede, non risiede in una persona che esamina il problema, ma in un approccio collaborativo.

"You can't make the type of progress we've made without having a team that spans the discipline, " she said. "Our work so far has been eye-opening and very exciting. We're showing that we're able to open a new chapter on polymer crystallization."