I ricercatori hanno recentemente scoperto un modo migliore per creare una nuova classe di materiali morbidi, riducendo un processo che richiedeva cinque mesi fino a tre minuti.

Connor Valentino, un dottorato di ricerca in ingegneria chimica. alunno, e Lynn Walker, professore di ingegneria chimica, lavorare con polimeri diblock. I polimeri diblock sono molecole simili a catene in cui un'estremità della catena è idrofoba, e l'altro è idrofilo. Molecole come questa sono usate nel sapone perché il lato idrofobo si attacca a sporco e olio, ma il lato idrofilo mantiene le molecole disciolte nell'acqua.

Quando queste molecole vengono poste in acqua a concentrazioni sufficientemente elevate, iniziano a formare grappoli:le parti idrofile si raggruppano al centro della palla per evitare l'umidità. I lati idrofobici si dispongono in uno strato simile a un pennello all'esterno della palla, proteggere il centro idrofobico.

Però, man mano che si aggiungono più polimeri nell'acqua, iniziano a esaurire lo spazio e si impilano in modo intelligente e spontaneo. Sarebbe come se stessi cercando di inserire il numero massimo di palline da tennis in una scatola:impileresti con cura ogni strato.

Quando formano queste pile, sono chiamati cristalli perché i modelli organizzativi si ripeteranno ancora e ancora in ogni direzione. Strutture cristalline come questa si trovano in tutta la natura, anche nelle pietre preziose, metalli, e materiali polimerici. Le persone hanno approfittato della spaziatura ripetitiva e coerente per creare membrane polimeriche per filtrare acqua e gas. Ci sono anche interessanti potenziali usi in nuovi materiali morbidi, con applicazioni che includono impianti medici, adesivi, imballaggi alimentari sostenibili, prodotti di bellezza liquidi, e persino condimenti.

Però, il problema si presenta quando i ricercatori stanno cercando di creare strutture cristalline specifiche. Gli ingegneri devono essere in grado di produrre costantemente cristalli con disposizioni e dimensioni specifiche per ottenere le prestazioni del materiale desiderate su scala di mercato. Però, problemi di elaborazione possono sorgere quando non comprendono appieno le forze che guidano la formazione dei cristalli. Il cambio di temperatura sbagliato, velocità di miscelazione, o la formulazione può causare la formazione improvvisa di cristalli, degradare, o transizione verso un'altra organizzazione cristallina. Il cambiamento di accompagnamento nelle proprietà del materiale può inceppare miscelatori, rovinare l'attrezzatura, e si traduca in un prodotto finale senza valore.

In questo lavoro, lo stato cristallino desiderato può richiedere mesi per formarsi a temperatura ambiente. Questo fattore può causare enormi problemi, con le aziende che scoprono di avere un prodotto con proprietà completamente diverse dopo tre mesi, forse è grosso, o è diventato rigido, o forse l'azienda deve aspettare tre mesi per vendere il suo prodotto perché ci vuole così tanto tempo per ottenere la consistenza del gel che desidera.

"È importante che le persone capiscano come queste molecole polimeriche si trasformeranno in cristalli, " dice Valentine. "E questo non è solo se si trasformano nel cristallo che vogliono; è il tasso di esso, la velocità. Anche, ci saranno altre fasi cristalline presenti? Ogni pezzo di quel materiale cristallino sarà orientato in modo coerente?"

Valentine e Walker hanno lavorato con collaboratori dell'Università del Minnesota, che ha scoperto che la velocità di riscaldamento e raffreddamento può produrre strutture cristalline intermedie che durano per diversi mesi. Il team di Valentine si è basato sul lavoro dei propri collaboratori e ha studiato l'impatto della lavorazione a taglio su queste strutture cristalline. L'elaborazione di taglio è un termine ampio che include passaggi come la miscelazione, la pittura, Rivestimento, e tremando:il materiale si sta muovendo. La velocità, durata, e la direzione del taglio può davvero essere importante per materiali come quelli usati in questo lavoro.

"Il ketchup è un ottimo esempio del perché la lavorazione a taglio influisca sui materiali morbidi perché il ketchup ha un carico di snervamento e si assottiglia quando lo mescoli o lo lavori, " spiega Valentine. "Se stai cercando di estrarre il ketchup da una bottiglia di vetro ed è gel o solido, non scorrerà. Ma piccoli colpetti (sulla parte corretta della bottiglia) faranno scorrere il ketchup molto bene. Il taglio sta cambiando la microstruttura del ketchup, che poi cambia le proprietà del flusso. È importante capire come il taglio influisca allo stesso modo su qualsiasi materiale con cui lavoriamo".

In questo lavoro, gli autori hanno utilizzato un flusso di taglio oscillatorio, che comporta il posizionamento del gel o del materiale morbido tra due piastre parallele, dove la piastra superiore può ruotare avanti e indietro. I ricercatori possono controllare la velocità e la lunghezza della piastra superiore. Quando Valentine e il suo team hanno messo i cristalli polimerici diblock in questa cella di taglio, sono stati in grado di far cambiare la fase cristallina nella struttura di equilibrio entro tre minuti. Il team del Minnesota aveva precedentemente riscontrato che questo stesso cambiamento strutturale richiedeva quasi cinque mesi seduti a temperatura ambiente senza taglio.

"L'elaborazione di taglio può aiutare con la dinamica, la velocità, e i tassi di cambiamento strutturale, non solo il risultato finale, che è qualcosa a cui la gente non pensa davvero, " dice Valentine. "Spesso pensano che quando tagli questi materiali, cambierà la struttura in qualcosa di diverso, ma non è necessariamente vero".

Il team ha misurato questi risultati visitando l'acceleratore di sincrotrone Advanced Photon Source presso l'Argonne National Laboratory, che è essenzialmente un acceleratore di particelle largo un miglio. Gli elettroni vengono accelerati attorno al cerchio della struttura quasi alla velocità della luce. Ogni volta che si voltano, un raggio di raggi X lascia il cerchio. Hanno usato questi fasci di raggi X ad alta intensità per misurare la struttura cristallina in tempo reale.

Le loro scoperte, pubblicato in Lettere macro ACS , ha mostrato che si verifica l'aumento della velocità e ha spiegato in dettaglio come regolare i parametri di taglio per ottenere la velocità desiderata di formazione dei cristalli. Hanno anche scoperto che è possibile impedire del tutto il cambiamento se il taglio è a frequenze molto basse con cicli di oscillazione molto lunghi.

"Siamo stati in grado di dimostrare che questa fase di lavorazione del taglio è solo un modo molto controllabile per ottenere la struttura che desideri e la velocità con cui la vuoi, "dice Valentino.

La ricerca era in collaborazione con Ashish Jayaraman e Mahesh K. Mahanthappa, entrambi dell'Università del Minnesota.