Hao Mei, studente laureato alla Rice University, tiene in mano un piatto con un motivo di polimeri a spazzola per bottiglie che scrivono "RICE". I polimeri microscopici potrebbero dare all'industria un controllo squisito sulle proprietà dei rivestimenti superficiali. Credito:Jeff Fitlow/Rice University
Un polimero microscopico sotto forma di un comune attrezzo da cucina potrebbe dare all'industria un controllo squisito sui rivestimenti.
I copolimeri Bottlebrush sono stati a lungo un argomento di studio per Rafael Verduzco, un ingegnere chimico e biomolecolare presso la Brown School of Engineering della Rice University. Ora, lui e i suoi collaboratori hanno sviluppato modelli e metodi per affinare i rivestimenti superficiali per realizzarli, ad esempio, più impermeabile o più conduttivo.
I ricercatori hanno scoperto che gli scovolini mescolati con polimeri lineari tendono a migrare verso la parte superiore e inferiore di una pellicola sottile mentre si asciuga. Questi film, come rivestimenti, sono onnipresenti nei prodotti, ad esempio come strati impermeabili per evitare che i metalli si arrugginiscano o che i tessuti si macchino.
Quando avviene la migrazione, i polimeri lineari tengono il centro mentre gli scovolini sono attratti dall'aria sopra o dal substrato sotto. Questo, Verduzco ha detto, disaccoppia efficacemente le proprietà del rivestimento sfuso dalle sue superfici esposte.
I modelli e gli esperimenti computazionali hanno mostrato che le variazioni nello scovolino stesso potrebbero essere utilizzate per controllare le caratteristiche della superficie.
I polimeri Bottlebrush rimangono difficili da produrre alla rinfusa, Verduzco ha detto, ma i loro usi potenziali sono vasti. Le applicazioni potrebbero includere la somministrazione di farmaci tramite scovolini funzionalizzati che formano micelle, lubrificanti, elastomeri morbidi, filtri antivegetativi e superfici che si auto-riparano, Egli ha detto.
Un rivestimento idrofobo di polimeri per scovolini creato dagli ingegneri della Rice University resiste a una goccia d'acqua. Le spazzole per bottiglie microscopiche possono essere configurate per conferire ai rivestimenti proprietà specifiche per molte applicazioni. Credito:Jeff Fitlow/Rice University
I dettagli appaiono nella rivista dell'American Chemical Society macromolecole .
Il laboratorio del riso, con l'aiuto di colleghi dell'Università del Tennessee, Knoxville; Oak Ridge National Laboratory e l'Università di Houston, caratterizzato vari scovolini fatti di polistirene e poli(metilmetacrilato) (noto anche come PMMA) mentre studiava cosa causa la migrazione dei polimeri.
Assomigliando ai loro cugini della macro cucina (così come certi fiori), gli scovolini sono costituiti da piccole catene polimeriche che si irradiano verso l'esterno da un'asta polimerica lineare. Gli scovolini si autoassemblano in soluzione, che possono essere manipolati per regolare le loro proprietà.
I rivestimenti sono onnipresenti, disse Verduzco. "Se non avessimo i rivestimenti giusti, i nostri materiali si degraderebbero rapidamente, " ha detto. "Reagirebbero in modi che non vogliamo che facciano. Quindi rivestire una superficie è solitamente un processo separato; fai qualcosa e poi devi trovare un modo per depositarci sopra un rivestimento.
"Quello che stiamo guardando è una sorta di additivo universale, una molecola che puoi fondere con qualsiasi cosa tu stia facendo che andrà spontaneamente in superficie o nell'interfaccia, " ha detto. "È così che abbiamo finito per usare gli scovolini".
Rafael Verduzco, sinistra, un ingegnere chimico e biomolecolare alla Rice University, e lo studente laureato Hao Mei ha condotto uno studio che mostra che i polimeri microscopici degli scovolini sono disegnati sulla parte superiore e inferiore di un rivestimento applicato su una superficie. La scoperta potrebbe portare a un modo per personalizzare le proprietà dei rivestimenti per applicazioni specifiche. Credito:Jeff Fitlow/Rice University
Le spazzole possono essere messe a punto variando il numero di catene laterali, la loro lunghezza o la lunghezza del polimero della spina dorsale, disse Verduzco. Le catene laterali stesse possono essere di tipo misto, e piccole molecole o proteine possono essere aggiunte ai loro gruppi terminali.
"La chimica di questi materiali è sufficientemente avanzata da poter mettere praticamente qualsiasi tipo di polimero come una di queste setole sulla catena laterale, " ha detto. "Puoi metterli in un ordine diverso."
I ricercatori hanno scoperto che la termodinamica entropica ed entalpica ha allontanato quasi completamente gli scovolini dall'interno dei film e verso le interfacce mentre si asciugavano. Anche dove i polimeri lineari sono stati progettati per accoppiarsi con l'interfaccia superficiale, gli scovolini salivano ancora sulla superficie esposta.
Verduzco ha notato che i risultati sono stati resi possibili dal tempo dello spettrometro di massa di ioni secondari di volo acquisito da Rice nel 2018 attraverso una sovvenzione della National Science Foundation. Lo spettrometro ha permesso ai ricercatori di caratterizzare non solo la superficie dei rivestimenti bombardandoli con ioni, ma anche come i rivestimenti sono cambiati quando gli strati microscopici sono stati rimossi dall'alto verso il basso.
