Küçük nanopartiküller, polimer nanokompozitler üzerinde şaşırtıcı derecede büyük etkilere sahiptir.

Nano Partikül Teknolojisi (Haziran 2019).

Anonim

Polimer nanokompozitler, uzun moleküler zincirler olan polimerlerle çap olarak bir metrenin (nanometre, nm) çapını milyarlarca karıştırırlar. Genellikle enjeksiyon kalıplı ürünler yapmak için kullanılır, bunlar otomobillerde, yangın geciktiricilerde, ambalaj malzemelerinde, ilaç dağıtım sistemlerinde, tıbbi cihazlarda, kaplamalarda, yapıştırıcılarda, sensörlerde, membranlarda ve tüketim mallarında yaygındır. Enerji Bakanlığı'nın Oak Ridge Ulusal Laboratuarı tarafından yönetilen bir ekip, nanoparçacık boyutunun küçülmesinin polimer nanokompozitlerin mekanik özelliklerini olumsuz etkileyeceğini doğrulamaya çalıştığında, büyük bir sürpriz yaşadılar.

"Küçük nanopartiküllerin beklenmedik ölçüde büyük bir etkisini bulduk, " diyen ORNL'den Shiwang Cheng. ORNL'deki bilim adamları ekibi, Urbana-Champaign (Illinois) Illinois Üniversitesi ve Tennessee Üniversitesi, Knoxville (UTK), ACS Nano dergisinde bulgularını bildirdiler.

Nanopartikülleri ve polimerleri harmanlamak, polimer malzemelerin özelliklerinde önemli gelişmeler sağlar. Nanoparçacık boyutu, uzamsal organizasyonu ve polimer zincirleri ile etkileşimleri kompozitlerin davranışını belirlemede kritik öneme sahiptir. Bilim adamları, mekanik, kimyasal, elektriksel, optik ve termal özellikleri ayarlayabildiğinden, bu etkilerin anlaşılması, yeni kompozit polimerlerin geliştirilmiş tasarımına olanak sağlayacaktır.

Yakın zamana kadar, bilim adamları optimal bir nanopartikül boyutunun var olduğuna inanıyorlardı. Boyut küçültmek, en küçük parçacıkların, düşük yüklerde plastikleşmeye eğilimli olduğu ve yüksek yüklerde biriktirdiği gibi, her ikisi de polimer nanokompozitlerin makroskopik özelliklerine zarar verdiği için bir noktaya kadar iyi olacaktır.

ORNL ile yürütülen çalışma, çapı 1, 8 nm olan partiküller içeren polimer nanokompozitleri ve çapı 25 nm olan partikülleri karşılaştırmıştır. Çoğu geleneksel polimer nanokompoziti, çapı 10-50 nm olan parçacıklar içerir. Yarın, yeni polimer nanokompozitleri, çapı 10 nm'den daha az olan nanopartiküller içerebilir ve yeni özellikler daha büyük nanopartiküller ile elde edilemez.

İyi dağınık küçük "yapışkan" nanoparçacıklar özellikleri kırdı, bunlardan biri kayıtları kırdı: Malzemenin sıcaklığının 10 santigrat dereceden daha az yükseltilmesi viskozitede hızlı, milyon kat düşüşe neden oldu. Saf bir polimerin (nanopartiküller olmadan) veya büyük nanopartiküllere sahip bir kompozitin karşılaştırılabilir bir etki için en az 30 santigrat derecelik bir sıcaklık artışına ihtiyacı olacaktır.

ORNL ve UTK'dan Alexei Sokolov, “Gerçekten çok küçük nanopartiküllerin tamamen yeni özelliklere erişebilmesinin mümkün olduğu paradigmada bir değişim görüyoruz” dedi. Yeni özelliklere erişimin artması, küçük parçacıkların büyüklerden daha hızlı hareket etmesi ve aynı zincir üzerinde daha az polimer segmenti ile etkileşmesi nedeniyle gerçekleşir. Daha fazla polimer segmenti büyük bir nanopartiküle yapışır ve bu nanoparçacıktan bir zincirin ayrışmasını zorlaştırır.

Sokolov, "Şimdi parçacıkların hareketliliğini ayarlayabileceğimizi - parçacıkların büyüklüğünü değiştirerek, ne kadar hızlı hareket edebileceklerini ve polimerleri ile ne kadar güçlü bir etkileşime gireceklerini, yüzeylerini değiştirerek ayarlayabileceğimizin farkındayız." Dedi. "Kompozit malzemelerin özelliklerini daha büyük nanopartiküller ile elde edebileceğimizden çok daha geniş bir aralıkta ayarlayabiliriz."

Beraber daha iyi

ORNL tarafından yönetilen çalışma, malzeme bilimi, kimya, fizik, hesaplama bilimi ve teorisi konusunda uzmanlık gerektirdi. Sokolov, "Oak Ridge Ulusal Laboratuarının başlıca avantajı, büyük ve işbirlikçi bir takım oluşturabilmemizdir." Dedi.

Cheng ve UTK’nın Bobby Carroll’ı, Sokolov’la tasarladıkları deneyleri gerçekleştirdiler. Geniş bant dielektrik spektroskopisi, nanopartiküller ile ilişkili polimer segmentlerinin hareketini izledi. Kalorimetri, katı kompozitlerin sıvıya geçiş sıcaklığını ortaya çıkardı. Küçük açılı X-ışını saçılımı kullanan Halie Martin (UTK) ve Mark Dadmun (UTK ve ORNL) polimerde nanoparçacık dispersiyonunu karakterize eder.

Deneysel sonuçları daha iyi anlamak ve onları temel etkileşimler, dinamikler ve yapıyla ilişkilendirmek için ekip, DOE Ofisi'nin Oak Ridge Liderlik Hesaplama Tesisi tarafından sağlanan büyük ölçekli modelleme ve simülasyona (ORNL'nin Bobby Sumpter ve Jan-Michael Carrillo) dönüştü. of Science Kullanıcı Tesisi.

Cheng, “Bu parçacıkların polimer zincirinin segmental hareketini nasıl etkilediğini anlamak çok zaman alıyor” dedi. “Bu şeyler, makroskobik deneylerden görselleştirilemez. Bilgisayar simülasyonlarının güzelliği, zincirin nasıl hareket ettiğini ve parçacıkların nasıl hareket ettiğini gösterebilir, bu yüzden teori, sıcaklık bağımlılığını tahmin etmek için kullanılabilir.”

Her ikisi de Illinois'den olan Shi-Jie Xie ve Kenneth Schweizer, bu nanokompozitlerde kolektif aktif dinamiklerin yeni bir temel teorik tanımını yarattılar ve yeni deneysel fenomenleri anlamak için kantitatif olarak uyguladılar. Teori, malzeme özelliklerini optimize etmek için tasarım kurallarını formüle etmek için kullanılabilecek fiziksel davranış tahminlerini mümkün kılar.

Carrillo ve Sumpter, Titan'ın Amerika'nın en güçlü süper bilgisayarı üzerinde simülasyonlar yaptı ve simülasyonlar yaptılar ve Rhea kümesindeki verileri analiz etmek için kodlar yazdılar. LAMMPS moleküler-dinamik kodu, nano partiküllerin polimer bölümlerine göre ne kadar hızlı hareket ettiklerini ve polimer bölümlerinin nano partiküllere ne kadar sıkıştıklarını hesapladı.

Oldukça uzun bir süre (100 milyon basamak) çalışan nispeten büyük bir sistem (200.000 ila 400.000 parçacık) için sonuçların hızlıca çevrilmesi için Titan'a ihtiyacımız vardı. Bu simülasyonlar, polimer ve nanoparçacık dinamiğinin nispeten uzun süreler boyunca hesaplanmasına olanak sağlıyor. "Carrillo dedi. "Bu polimerler karışıyor. Bir kasede bir spagetti ipliği çekmeyi hayal edin. Zincir ne kadar uzun olursa, o kadar karışır. Bu yüzden hareketi çok daha yavaştır." Uzun, karışmış polimer zincirlerinin moleküler dinamik simülasyonları, deney koşullarına benzer zaman-ilinti fonksiyonlarını hesaplamak ve Illinois'deki meslektaşları tarafından önerilen deneyler ve teoriler arasında bağlantılar veya anlaşmalar bulmak için gerekliydi.

Simülasyonlar ayrıca nanopartiküllerin bir polimer zincirine göre nasıl hareket ettiğini de görselleştirdi. Doğrulayıcı deney ve teori bilim adamlarını tahminleri doğrulamaya daha yakın hale getirir ve nanoparçacıkların davranışı nasıl değiştirdiğinin daha net bir şekilde anlaşılmasını sağlar, örneğin nanopartikül büyüklüğünün veya nanoparçacık-polimer etkileşimlerinin, bir polimerin sıvı hale gelmek için yeterli viskoziteyi kaybettiği ve akmaya başladığı sıcaklığı nasıl etkileyeceği gibi. Büyük parçacıklar, polimer hareketinin zaman ölçeğinde nispeten hareketsizdir, oysa küçük parçacıklar daha hareketlidir ve polimerden daha hızlı ayrılma eğilimindedir.

Yazının başlığı "Küçük Nanoparçacıkların Büyük Etkisi: Polimer Nanokompozitlerde Paradigma Değişimi".

menu
menu