Ali Gooneie simula sul suo computer ciò che tiene insieme il mondo proprio nel suo nucleo:atomi, molecole, catene e fasci molecolari, poi grumi e fibre, che emergono da questi. Con i suoi calcoli, il ricercatore Empa può anche spiegare le proprietà che possiamo sentire con la punta delle dita:superfici lisce e ruvide, materiali flessibili e rigidi, sostanze conduttrici di calore e isolanti.

Molte di queste proprietà hanno la loro origine nel profondo dei materiali. Metallo o legno, plastica o ceramica, pietra o gel:tutti questi elementi sono stati esaminati molte volte in precedenza. Però, e i materiali compositi? Come si determinano le proprietà di tali materiali e come possono essere alterati nel modo desiderato? Un noioso approccio per tentativi ed errori in laboratorio non è più sufficiente nell'ambiente di ricerca frenetico di oggi. Oggi, sono necessarie previsioni assistite da computer per poter decidere rapidamente quale percorso sperimentale intraprendere.

Gooneie è uno dei tanti esperti di simulazione al computer che lavorano in vari laboratori di ricerca dell'Empa. Ha studiato tecnologia dei polimeri all'Amirkabir University of Technology di Teheran e ha conseguito il dottorato all'Università di Leoben in Austria. "Anche se dopo la laurea in ingegneria mi sono immerso sempre più nel mondo delle formule fisiche, Non ho mai perso il contatto con il mondo reale, " dice. "Per me, le simulazioni non sono fine a se stesse. Li uso per spiegare gli effetti che osserviamo nei materiali."

Come si sente un capello? E soprattutto, perché?

Per capire cosa sta calcolando esattamente Gooneie, vale la pena considerare un materiale in fibra composita polimerica biologica che tutti conosciamo molto bene:i capelli. appena lavato, si sente morbido e flessibile. Quando è asciutto, crepita come l'elettricità; e quando è bagnato, scricchiola come gomma. possiamo tagliarlo, tiralo fuori, cantalo, permettilo, candeggila e asciugala con il phon. Ma da dove vengono tutte queste proprietà?

I capelli sono costituiti da singoli aminoacidi, che si combinano per formare proteine ​​a catena lunga note come cheratine. Queste lunghe molecole di cheratina si legano per formare fili e fasci di fibre. Un complesso di membrane cellulari cementa insieme questi fasci di fibre. Questi fasci di fibre sono racchiusi da diversi strati di scaglie di corno morto che giacciono sfalsate l'una sull'altra come le scaglie di una pigna. Perciò, le proprietà dei capelli sarebbero inspiegabili se si considerassero solo i mattoni chimici di base, gli amminoacidi. Comprendere la struttura generale è fondamentale.

Quindi lasciaci, nella nostra mente, rimpicciolire la struttura chimica e vedere le molecole solo come globuli, che sono collegati come su una collana di perle. Ora l'immagine non è più determinata dalla chimica, ma dalle collisioni e dagli effetti di attrito di queste catene di perle. Gli esperti utilizzano modelli matematici grossolani per i loro calcoli.

Infine, arriviamo in una dimensione che possiamo vedere e sentire:la gamma millimetrica, dove i capelli sono considerati un materiale omogeneo, la struttura fine non è più importante. Le proprietà macroscopiche del materiale possono essere descritte e previste utilizzando il "metodo degli elementi finiti".

Comprensione dettagliata delle fibre

Fino a pochi anni fa, non esisteva un simile approccio multidimensionale nel settore dei compositi polimerici. Con la sua ricerca presso l'Università di Leoben, Ali Gooneie aveva affinato questo approccio, che lo rendeva perfetto per l'Empa. L'esperto di simulazione si è trasferito a San Gallo e ora sta conducendo ricerche nel laboratorio Advance Fibers dell'Empa sotto la direzione di Manfred Heuberger.

Uno degli obiettivi di ricerca di Heuberger è perfezionare le fibre sintetiche, un argomento economicamente importante:in questi giorni, circa due terzi di tutte le fibre utilizzate nel mondo sono prodotte sinteticamente. Una fibra sintetica è molto più di un sottile filamento di plastica. Diventano "fibre" solo se la loro struttura molecolare comprendente piccoli cristalli e molecole allineate è orientata verso le proprietà desiderate, come flessibilità o fermezza. Solo se la struttura della fibra è nota dalla scala nanometrica a quella micrometrica, le proprietà del prodotto possono essere impostate in modo specifico durante la lavorazione.

Compositi polimerici conduttivi

Gooneie ha già supervisionato diversi progetti. Ad esempio, uno mirava a incorporare nanotubi di carbonio (CNT) in una matrice di poliammide. Al giusto dosaggio, I CNT possono conferire una conduttività elettrica a un materiale sintetico, il che rende questo materiale interessante per l'industria fotovoltaica, Per esempio. Ma qual è la quantità perfetta di nanotubi da miscelare? I tubi dovrebbero essere della stessa lunghezza o una combinazione di lunghezze fornirebbe risultati migliori?

Finora, è stato comune per i ricercatori compositi restringere e risolvere il problema in questione con una serie di esperimenti. Ali Gooneie, però, affronta il problema da un punto di vista teorico e utilizza i suoi metodi di simulazione multidimensionale. La soluzione che ha trovato:una miscela di CNT con lunghezze diverse produce la conduttività elettrica più veloce. In definitiva, riuscì a predire la via, in cui i nanotubi sono disposti nel polimero, indipendentemente dalla velocità, con cui avviene il trattamento.

Allo stesso tempo sono stati effettuati i calcoli, i ricercatori hanno avviato il loro primo esperimento:in un estrusore caldo a 245 gradi Celsius, hanno mescolato nanotubi in varie proporzioni nella matrice poliammidica. Si è scoperto che una miscela dello 0,15 percento in peso ha dato i migliori risultati in termini di conduttività elettrica. Di pari passo con gli esperimenti di laboratorio, la matematica applicata ha fornito una soluzione elegante al problema.

Riciclaggio delicato del PET

Anche i calcoli di simulazione possono ottenere molto nei progetti di riciclaggio. Gli svizzeri ne hanno collezionati quasi 48, 000 tonnellate di bottiglie in PET nel 2018. Da questo, l'industria ha guadagnato 35, 000 tonnellate di PET riciclato. Il materiale sintetico è molto ricercato in quanto meccanicamente resistente, a tenuta d'aria e di gas, e può resistere alle alte temperature. Però, Il PET non può essere riciclato un numero illimitato di volte. Se il materiale viene rifuso troppo spesso, reazioni chimiche avvengono all'interno del materiale:le molecole si ossidano, reticolano e formano grumi, e il materiale diventa viscoso e traslucido.

Un additivo chiamato DOPO-PEPA potrebbe cambiare tutto questo. Infatti, il materiale è un ritardante di fiamma sviluppato dal ricercatore Empa Sabyasachi Gaan, anche nel laboratorio Advance Fibers. Ora i ricercatori vogliono esplorare se può fungere anche da lubrificante e conservante per il riciclaggio del PET. Gooneie ha iniziato stimando se DOPO-PEPA può essere miscelato in PET alla temperatura prevista. Poi calcolò come la collana di perle delle molecole di PET si sarebbe mossa nella fusione, come le molecole DOPO-PEPA si stringerebbero tra di loro, e quando sarebbe apparso un equilibrio nella miscela.

Il risultato:una miscela di una piccola percentuale di DOPO-PEPA è già sufficiente per consentire al PET riciclato di fluire bene. Grazie alla matematica superiore all'Empa, il riciclaggio sarà presto molto più fluido.