I ricercatori dell'esercito hanno raggiunto una svolta nella scienza nascente dei polimeri bidimensionali grazie a un programma collaborativo che arruola l'aiuto di scienziati e ingegneri leader in tutto il mondo accademico noti come appuntamenti congiunti di facoltà.

Ricercatori del Comando per lo sviluppo delle capacità di combattimento dell'esercito degli Stati Uniti, ora noto come DEVCOM, Army Research Laboratory ha collaborato con il Prof. Steve Lustig, un incarico congiunto di facoltà presso la Northeastern University, per accelerare lo sviluppo di polimeri 2-D per applicazioni militari.

La collaborazione con ARL Northeast ha portato a uno studio innovativo pubblicato sulla rivista scientifica peer-reviewed macromolecole . Gli editori hanno presentato la ricerca in un articolo di copertina.

"I polimeri 2-D sono stati studiati molto seriamente da un punto di vista sintetico solo per circa 10 anni, " ha detto il dottor Eric Wetzel, capo area di ricerca per i materiali del soldato presso il laboratorio. "Rappresentano un nuovo, classe di materiali relativamente inesplorata con un enorme potenziale."

Secondo Wetzel, I polimeri 2-D hanno un'elevata ripetibilità, motivo simmetrico simile a "filo di pollo, " che offre accesso a più miglioramenti strutturali rispetto al monodimensionale, polimeri lineari come il Kevlar.

Nel tentativo di valutare il pieno potenziale di questi materiali, I ricercatori dell'esercito hanno iniziato a progettare in modo computazionale polimeri 2-D nella speranza di poter sviluppare un'alternativa superiore alle fibre aramidiche convenzionali per applicazioni come armature e indumenti ignifughi.

Prof. Steve Lustig, un incarico congiunto di facoltà presso la Northeastern University, usa la sua esperienza nel settore con DuPont per aiutare i ricercatori dell'esercito a calcolare la durabilità ambientale dei polimeri 2-D simulati.

Per creare correttamente un polimero 2-D in grado di resistere alle condizioni del mondo reale, I ricercatori dell'esercito cercarono l'aiuto di Lustig, che in precedenza ha lavorato presso la DuPont Central Research &Development per oltre due decenni prima di diventare professore associato di ruolo presso la Northeastern University.

"L'idea del progetto del polimero 2-D è essenzialmente quella di realizzare una versione 2-D di Kevlar, " Lustig ha detto. "Ho avuto oltre un decennio di esperienza di lavoro con il business del Kevlar in vari aspetti della polimerizzazione dei polimeri cristallini liquidi, lavorazione e proprietà. Il team di ARL credeva che il mio background sarebbe stato utile."

Lustig ha spiegato di aver appreso per la prima volta del laboratorio a metà degli anni 2000 quando è entrato in contatto con il Dr. Kenneth Strawhecker, uno scienziato dell'esercito che aveva contattato DuPont in cerca di collaborazioni industriali.

Al tempo, Lustig ha lavorato come scienziato capo nel gruppo di fisica dei polimeri di DuPont e si è specializzato nello sviluppo di nuovi strumenti per la meccanica statistica, termodinamica statistica e simulazioni molecolari.

Oltre alla sua esperienza sul lato computazionale della ricerca industriale, condusse anche esperimenti di sintesi chimica, lavorazione del polimero, caratterizzazione delle proprietà dei materiali polimerici e microscopia a forza atomica.

"Non ho mai avuto la pazienza di stare in un posto e diventare un maestro in un'area molto piccola, " Lustig ha detto. "Ho sempre cercato di risolvere i problemi in modo olistico usando esperimenti, teoria e computer."

Una volta che Lustig incontrò Strawhecker, i due iniziarono una serie di collaborazioni informali incentrate sull'uso della microscopia a forza atomica per comprendere non solo la struttura dei materiali in Kevlar ma anche la loro risposta alla deformazione a trazione e alla meccanica di flessione.

La rivista scientifica macromolecole presenta lo studio condotto dall'esercito sulla copertina interna del suo ultimo numero.

L'American Chemical Society ha successivamente pubblicato il risultato di questa ricerca come copertina della rivista scientifica peer-reviewed Materiali applicati e interfacce nel 2020.

Anche dopo che Lustig ha lasciato DuPont nel 2016, ha continuato le sue collaborazioni con il laboratorio come visiting scientist. Poco dopo una delle sue presentazioni seminariali al laboratorio, ha incontrato Wetzel, che ha subito riconosciuto il valore dell'esperienza nel settore di Lustig.

Nel corso della sua continua interazione con Strawhecker e Wetzel, Lustig ha ottenuto l'opportunità di diventare un Joint Faculty Appointment dell'ARL dopo essere entrato a far parte del Dipartimento di Ingegneria Chimica della Northeastern University.

A causa della sua vicinanza al campus nord-orientale dell'ARL, sia Strawhecker che Wetzel vedevano Lustig come il miglior candidato per la posizione.

"L'iniziativa ARL Open Campus fornisce un modo per attingere a competenze esterne che potrebbero non esistere all'interno del nostro laboratorio, " ha detto Wetzel. "La nomina congiunta della facoltà è un nuovo costrutto all'interno di Open Campus che esiste solo da pochi anni, ma siamo stati in grado di integrare un esperto con anni di esperienza in DuPont nel nostro programma di ricerca grazie a questo meccanismo."

Secondo Wetzel, La lunga storia di Lustig con i progetti di sviluppo di fibre ad alte prestazioni presso DuPont ha fornito ai ricercatori dell'esercito l'accesso a capacità di modellazione uniche e una guida preziosa sui metodi e sulle tecniche che avrebbero migliorato la stabilità dei loro polimeri 2-D concettuali.

In qualità di incarico collegiale di facoltà, Lustig ha analizzato la durabilità ambientale dei progetti polimerici 2-D del laboratorio e ha eseguito simulazioni al computer che hanno determinato quanto bene resistono a condizioni estreme come il calore intenso.

Lustig ha lavorato al fianco del Dr. Jan Andzelm, uno scienziato dell'esercito e membro dell'ARL la cui esperienza nelle simulazioni molecolari dei polimeri è stata fondamentale per l'esecuzione dei calcoli.

Attraverso queste simulazioni al computer, i ricercatori hanno confrontato la stabilità termica del polimero 1D Kevlar, un polimero 2-D chiamato struttura organica covalente ammidica, noto come amCOF, e un ipotetico polimero 2-D progettato dal laboratorio chiamato graphamid.

"Abbiamo eseguito una serie di accuratissimi, calcoli di meccanica quantistica di alto livello chiamati dinamica molecolare ab initio e hanno studiato i cambiamenti nella struttura tra le tre molecole che abbiamo esaminato, " ha detto Lustig. "Una volta che abbiamo confermato che il nostro metodo potrebbe descrivere con precisione una molecola ben nota come Kevlar, potremmo applicarlo a molecole che non conoscevamo come la grafamide e fare previsioni accurate sul loro comportamento e proprietà".

I risultati dello studio comparativo hanno mostrato che la grafamide potrebbe potenzialmente resistere a temperature fino a 700 gradi Celsius, che ha superato i limiti sia del Kevlar che del materiale amCOF.

Data l'accettazione dello studio come articolo di copertina, Lustig ha affermato di ritenere che l'ultimo successo del team evidenzi chiaramente l'importanza delle iniziative dell'ARL Open Campus, come le nomine congiunte dei docenti.

Lustig ha espresso la sua gratitudine al laboratorio per la sua posizione e ha menzionato come ha visto l'opportunità come un modo eccellente per aiutare l'esercito con i suoi sforzi.

"Sono stato coinvolto con il Kevlar in primo luogo perché mio padre era un esercito di carriera, quindi l'idea di proteggere ragazzi come mio padre è molto importante per me". Ha detto Lustig. "Sono molto entusiasta che saremo in grado di offrire ai Soldati nuovi materiali per rendere il loro lavoro più facile e sicuro".