Istraživači su razvili i demonstrirali efikasnu i skalabilnu tehniku koja im omogućava da proizvode meke polimerne materijale u desetak različitih struktura, ili „morfologija“, od traka i nanosnih listova do šipki i razgranatih čestica. Tehnika omogućava korisnicima da fino podese morfologiju materijala na mikro i nano-skali. Rad pod naslovom „Šabloniranje toka fluida polimerne meke materije sa različitim morfologijama“ objavljen je u otvorenom pristupu u časopisu Advanced Materials.
„Ovaj napredak je važan jer se tehnika može koristiti sa širokim spektrom polimera i biopolimera. Pošto je morfologija ovih polimernih mikro- i nanostruktura kritična za njihovu primenu, omogućava nam da dobijemo nove funkcionalnosti polimera jednostavnom kontrolom strukture umesto hemija polimera“, kaže Orlin Velev, dopisni autor rada i ugledni profesor hemijskog i biomolekularnog inženjerstva S. Frank i Doris Culberson na Državnom univerzitetu Severne Karoline.
„Na primer, nano listovi se mogu koristiti u dizajniranju boljih baterija, dok se dendrikoloidi — mreže grananja od polimernih vlakana koje imaju izuzetno veliku površinu — mogu koristiti u tehnologijama sanacije životne sredine ili stvaranju novih lakih metamaterijala.
U osnovi, sve različite morfologije se proizvode korišćenjem dobro poznatog procesa koji se naziva precipitacija polimera. U ovom procesu, polimer se rastvara u rastvaraču, stvarajući rastvor polimera. Taj rastvor polimera se zatim uvodi u drugu tečnost, što čini da se polimer ponovo skupi kao meka materija.
Ono što je novo ovde je da su istraživači otkrili kako da precizno kontrolišu strukturu nastale polimerne meke materije manipulisanjem sa tri seta parametara tokom procesa proizvodnje.
Prvi skup parametara je brzina smicanja, koja se odnosi na to koliko brzo se tečnosti mešaju kada se dve tečnosti pomešaju. Drugi skup parametara je koncentracija polimera u rastvoru polimera. Poslednji skup parametara je sastav rastvarača u kome je polimer prvobitno rastvoren, kao i sastav tečnosti u koju se dodaje rastvor polimera.
„Identifikovali smo kritične parametre koji utiču na konačnu morfologiju polimernih materijala, što nam zauzvrat daje veliku dozu kontrole i svestranosti“, kaže Rejčel Bang, prva autorka rada i nedavna dr. diplomirao na NC State. „Pošto sada razumemo ulogu svakog od ovih faktora i kako svi oni utiču jedni na druge, možemo reproduktivno fino podesiti morfologiju polimernih čestica.“
„Iako smo pokazali kako da proizvedemo desetak različitih morfologija, još uvek smo u ranim fazama istraživanja svih mogućih ishoda i primena“, kaže Velev.
Istraživači su već pokazali da se dendrikoloidi mogu koristiti za pravljenje membrana za uzgoj živih ćelija ili za stvaranje hidrofobnih ili hidrofilnih premaza. Istraživači su takođe radili sa saradnicima kako bi pokazali da nanoplastovi imaju potencijal za upotrebu kao efikasniji separatori u litijum-jonskim baterijama.
„Tehnika se takođe može koristiti sa različitim prirodnim biopolimerima, kao što su biljni proteini, i može se koristiti za podršku različitim aplikacijama, kao što je razvoj analoga mesa na bazi biljaka, što zahteva preciznu kontrolu morfologije proteinskih čestica. na više skala dužine“, dodaje koautor prof. Simeon Stojanov sa Singapurskog tehnološkog instituta i Univerziteta Vageningen u Holandiji. „Pored toga, pošto se naša tehnika zasniva na mešanju tečnosti pomoću konvencionalnih miksera, može se lako povećati za praktičnu proizvodnju.“
„Trenutno radimo sa istraživačima nauke o hrani kako bismo utvrdili kako se proteinski mikrošipci mogu koristiti za kontrolu teksture nekih prehrambenih proizvoda“, kaže Velev. „I takođe radimo sa saradnicima da istražimo kako se naša tehnika može koristiti za proizvodnju materijala na bazi biopolimera za upotrebu u biorazgradivoj mekoj elektronici.
„Otvoreni smo za rad sa dodatnim saradnicima kako bismo istražili potencijalne aplikacije za polimere i biopolimere u svim ovim morfologijama.“
Država NC je izdala ili čeka patente o proizvodnji mikrošipova, nanovlakna, dendrikoloida i njihovoj primeni u elektrohemijskim izvorima energije.
