I ricercatori del College of Science e del College of Engineering hanno scoperto che un polimero ad alta resistenza chiamato "PBDT" ha una rara struttura a doppia elica, possibilità di apertura per l'uso in una varietà di applicazioni.

Questa scoperta, recentemente pubblicato in Comunicazioni sulla natura , si presenta come un'estensione dello sviluppo di un polimero ione-gel, che promette di superare le prestazioni degli elettroliti delle batterie liquide infiammabili convenzionali. Ora, dotato di evidenza della struttura a doppia elica, il potenziale di questo materiale ad alte prestazioni va ben oltre le batterie.

"Questo polimero esiste da 30 anni, e nessuno aveva capito che è una doppia elica, ", ha affermato il professore associato di chimica Lou Madsen, che ha condotto questa ricerca. "Le doppie eliche nei sistemi sintetici sono essenzialmente sconosciute".

Madsen ha condotto una collaborazione internazionale, che includeva i professori della Virginia Tech Rui Qiao (ingegneria meccanica) e Robert Moore (chimica), così come Theo Dingemans presso l'Università della Carolina del Nord a Chapel Hill e Bernd Ensing presso l'Università di Amsterdam nei Paesi Bassi. Tutti e tre i professori della Virginia Tech sono affiliati al Macromolecules Innovation Institute.

La rigidità potrebbe aiutare i nuovi compositi

I compositi sono materiali ingegneristici che uniscono più componenti per creare un nuovo insieme di proprietà migliorate.

Pneumatici e fusoliere degli aerei moderni sono esempi di compositi. Richiedono un materiale di base, come la gomma nell'esempio delle gomme, da miscelare con altri materiali, come cariche di fibra di rinforzo, per una maggiore forza.

Madsen e il suo team avevano già dimostrato nel 2016 che il PBDT poteva mescolarsi con ioni liquidi per creare un elettrolita solido della batteria.

"Prima di essere sicuri di questa doppia elica, abbiamo scoperto che il PBDT potrebbe mescolarsi con ioni liquidi e creare questo elettrolita che ha un'ottima conduttività ed è anche meccanicamente rigido, "Ha detto Madsen. "Abbiamo fatto qualcosa con PBDT, ma volevamo sapere perché funziona così bene. Avevamo prove che fosse una doppia elica, ma non avevamo apprezzato la maggior parte delle sue caratteristiche".

Strutture a doppia elica, come il DNA, sono ben noti in natura, e hanno un'elevata rigidità alla flessione. Il DNA ha un diametro di circa 2,5 nanometri ed è rigido fino a circa 50 nanometri di lunghezza, dove comincia a piegarsi. Ciò crea un "rapporto di rigidità" di circa 20 a 1, simile a un bastoncino di carota.

In confronto, PBDT ha un rapporto di rigidità di 1, 000 a 1, rendendolo una delle molecole più rigide mai scoperte.

La rigidità suprema del polimero significa che solo una frazione di esso sarebbe necessaria per ottenere prestazioni paragonabili ai riempitivi di rinforzo convenzionali. Per di più, il processo per crearlo è estremamente economico e facile.

"Se stai usando filler convenzionali in un composito, potresti usare il 10 percento per ottenere le proprietà che desideri, "Ha detto Madsen. "Ma PBDT ha questa lunga rigidità e un diametro minuscolo. Ciò significa che potresti dover inserire solo l'1 o il 2% per ottenere un materiale altamente migliorato".

Dai raggi X e dal DNA alla modellazione computazionale

Già nel 2014, Madsen e il suo dottorato di ricerca lo studente Ying Wang aveva pensato che il polimero fosse una doppia elica, ma non aveva prove solide. Hanno quindi iniziato studi a raggi X su PBDT, simile agli studi che Rosalind Franklin condusse sul DNA nei primi anni '50 che portarono alla scoperta della doppia elica del DNA. Abbastanza sicuro, la radiografia PBDT era simile alla radiografia del DNA di Franklin. Hanno inoltre utilizzato una tecnica simile alla risonanza magnetica per rafforzare le loro prove.

Madsen si è quindi rivolto a Ensing in Olanda e poi a Qiao alla Virginia Tech per un aiuto nella comprensione del polimero con modelli computazionali.

Qiao ha detto che inizialmente non pensava che la simulazione avrebbe funzionato.

"Una simulazione di un autoassemblaggio per formare una struttura a doppia elica:non ne avevo mai sentito parlare tranne che la gente l'aveva fatto per il DNA, " disse Qiao. "Ma per questo tipo di simulazione, è molto difficile. Il mio studente ci ha provato comunque e miracolosamente ha funzionato. Abbiamo provato un sacco di condizioni diverse, diversi modi di eseguire simulazioni, ma i risultati sono stati robusti, il che ci ha dato una certa sicurezza che si tratta di una vera doppia elica."

La conferma della struttura a doppia elica apre possibilità per la potenziale applicazione del PBDT al di là degli elettroliti delle batterie, come i materiali aerospaziali leggeri.

"L'applicazione di questo sarà davvero limitata dalla nostra immaginazione, " Qiao ha detto. "Ora abbiamo un nuovo tipo di pezzo di Lego. Man mano che più persone sentono parlare di questo materiale, troveranno il loro modo di usarlo. Cosa ne verrà davvero fuori, non possiamo immaginare oggi."