Cartone animato del profilo di densità e della distribuzione dei segmenti lungo le catene polimeriche modello in funzione della posizione, dove il viola rappresenta l'isoprene e il blu rappresenta lo stirene, illustrando la differenza tra casuale, pendenza, bloccare, e copolimeri a blocchi conici.
Come si realizza un materiale che abbia l'elasticità di un elastico e l'isolamento termico di una tazza di polistirolo? Collega due distinte catene polimeriche - poli (isoprene) e poli (stirene) - da un capo all'altro come una serie di mattoncini per bambini. Il risultato è un "copolimero a blocchi" opportunamente chiamato che vanta le proprietà di entrambi i materiali ed è comunemente usato nei pneumatici delle automobili e nelle suole delle scarpe da ginnastica.
Ma la caratteristica più impressionante di un copolimero a blocchi è la sua capacità di autoassemblarsi. Immaginare, Per esempio, far cadere una miscela di poli(isoprene) e poli(stirene) sul pavimento. I due blocchi incompatibili si "separeranno in fasi" come l'olio e l'acqua. Però, collegare le estremità dei due polimeri insieme e il materiale di solito può assemblare in un materiale ben definito con struttura su scala nanometrica.
L'assemblaggio naturale è estremamente prezioso per le applicazioni emergenti su scala nanometrica, compresi i materiali per le celle a combustibile, batterie agli ioni di litio, e fotovoltaico organico.
I copolimeri a blocchi possono creare nanostrutture ben definite senza l'elaborazione tradizionale su nanoscala, ha affermato il ricercatore dell'Università del Delaware Thomas Epps. L'uso di copolimeri a blocchi può aiutare ad aumentare o sostituire le tecniche litografiche e di altro tipo, il che significa che si possono realizzare materiali su scala nanometrica senza strumenti costosi.
Per sfruttare appieno l'architettura molecolare di un copolimero a blocchi, i ricercatori stanno cercando modi per controllare le interazioni tra i blocchi polimerici attraverso mezzi come alte temperature e solventi selettivi.
"Quando realizzo un copolimero di una certa composizione e peso molecolare, Di solito mi sono bloccato in una temperatura di lavorazione basata su quei fattori chimici, " Ha detto Epps. "Vogliamo trovare un modo per mettere a punto questi materiali in modo che, non importa quali blocchi vengono combinati, possiamo controllare le condizioni di lavorazione."
Per fare questo, Epps e i colleghi ricercatori dell'Università del Delaware Nripen Singh e Maeva Tureau stanno esplorando l'accordatura con tapering, che aumenta la compatibilità del polimero appianando l'interfaccia chimica tra i due blocchi.
Dati sincrotrone-SAXS per un copolimero diblocco conico P(I-SI-S). I campioni sono stati ricotti a 210 oC e quindi raffreddati a temperatura ambiente per l'acquisizione dei dati. I valori dei moduli integrali sono caratteristici delle lamelle a due domini. L'inserto mostra un'immagine al microscopio elettronico a trasmissione di un campione P(I-SI-S). Il campione viene colorato con vapore OsO4 per migliorare il contrasto.
Tapering concettualizzato:pensa a un blocco di perline viola collegato a un blocco di perline blu. Un normale copolimero a blocchi avrà un'interfaccia netta che separa i due tipi di perline. In un copolimero a blocchi conici, è stata inserita una regione tra i due blocchi in modo tale che il numero di perline viola diminuisca lentamente all'aumentare del numero di perline blu. In un copolimero a blocchi conico inverso, avviene il contrario (vedi figura).
Il tapering dell'interfaccia è pensato per ridurre la "penalità" di mescolare tra i due blocchi molto diversi. Il risultato è una temperatura di lavorazione più bassa, che è più facile ed economico da raggiungere, e una maggiore compatibilità chimica.
Per testare questa idea, i ricercatori hanno sintetizzato una serie di campioni di copolimero a blocchi di poli(isoprene-b-stirene) rastremati presso l'Università del Delaware:campioni con diverse lunghezze di conicità (dal 15 al 35% di materiale conico) con rastremazione normale o inversa.
I campioni sono stati quindi riscaldati e raffreddati mentre i ricercatori osservavano i cambiamenti nel materiale con la diffusione di raggi X a piccolo angolo presso l'NSLS (beamline X27C) e l'Advanced Photon Source di Argonne, e microscopia elettronica a trasmissione e analisi meccanica dinamica presso l'Università del Delaware.
I loro risultati, apparso il 7 dicembre numero 2009 di Materia morbida , ha dimostrato che i ricercatori possono mettere a punto la compatibilità dei copolimeri a blocchi (tramite rastremazione) senza compromettere l'ordinamento o le proprietà meccaniche del materiale. La ricerca ha anche rivelato che il tapering inverso offre il maggiore aumento della compatibilità.
"La rastremazione inversa forza interazioni più sfavorevoli nel copolimero come sintetizzato, quindi la penalità per la creazione di più interazioni attraverso l'autoassemblaggio o la miscelazione è minore, " ha detto Epp.
