Studija koju je vodio Univerzitet u Virdžiniji o klasi materijala zvanih asocijativni polimeri izgleda da dovodi u pitanje dugotrajno razumevanje kako materijali, koji imaju jedinstvena svojstva samoizlečenja i tečenja, funkcionišu na molekularnom nivou.
Liheng Cai, pomoćnik profesora nauke o materijalima i inženjerstva i hemijskog inženjerstva na UVA, koji je vodio studiju, rekao je da novo otkriće ima važne implikacije na bezbroj načina na koji se ovi materijali svakodnevno koriste, od inženjeringa plastike koja se može reciklirati do inženjeringa ljudskog tkiva do kontrole konzistenciju boje tako da ne kaplje.
Ovo otkriće, koje je objavljeno u časopisu Phisical Reviev Letters, omogućili su novi asocijativni polimeri koje su u Caijevoj laboratoriji na UVA School of Engineering and Applied Sciences razvili njegov postdoktorski istraživač Shifeng Nian i dr. student Mioeum Kim. Proboj je evoluirao iz teorije koju je Cai zajedno razvio pre nego što je stigao u UVA 2018.
„Shifeng i Mioeum su u suštini stvorili novu eksperimentalnu platformu za proučavanje dinamike asocijativnih polimera na načine koji ranije nisu bili mogući“, rekao je Cai.
„Ovo nam je dalo novu perspektivu o ponašanju polimera i pruža mogućnosti da poboljšamo naše razumevanje posebno izazovnih oblasti proučavanja nauke o polimerima. I sa tehnološkog stanovišta, istraživanje doprinosi razvoju materijala koji se samoisceljuju sa prilagođenim svojstvima. “
Polimeri su makromolekuli sastavljeni od ponavljajućih jedinica, ili monomera. Preuređivanjem ili kombinovanjem ovih jedinica i petljanjem sa njihovim vezama, naučnici mogu dizajnirati polimerne materijale sa specifičnim karakteristikama.
Polimeri takođe mogu da menjaju stanja, od tvrdih i krutih, poput stakla, do gumenih ili čak tečnih u zavisnosti od faktora kao što su temperatura ili sila – na primer, guranje čvrstog gela kroz hipodermičku iglu.
Asocijativni polimeri su posebno prepoznatljivi: njihovi delovi – opšti termin za molekularne podjedinice sa prilagodljivim fizičkim svojstvima – drže se zajedno reverzibilnim vezama, što znači da se mogu raspasti i ponovo formirati.
Ovaj proces omogućava makroskopska svojstva nedostupna konvencionalnim polimerima. Kao rezultat toga, asocijativni polimeri pružaju rešenja za neke od najhitnijih izazova u pogledu održivosti i zdravlja. Na primer, asocijativni polimeri se koriste kao modifikatori viskoziteta u gorivima, za stvaranje čvrstih polimera koji se samoizleču, i za projektovanje biomaterijala sa fizičkim svojstvima kritičnim za inženjering tkiva i regeneraciju.
Jedan ključ za rad UVA tima bio je prevazilaženje materijalne karakteristike koja je godinama sputavala istraživače. U laboratoriji, naučnici rade sa materijalima čije veze mogu da se raskinu i ponovo formiraju u „laboratorijskim vremenskim skalama“, što znači u vremenskim okvirima koje mogu posmatrati kroz eksperimente. Međutim, u skoro svim postojećim eksperimentalnim sistemima, delovi se agregiraju u male klastere, što sprečava precizno proučavanje odnosa između reverzibilnih veza i ponašanja polimera.
Caiov tim je razvio nove tipove asocijativnih polimera gde su veze ravnomerno raspoređene po materijalu iu širokom rasponu gustina. Da bi potvrdili da njihovi materijali ne formiraju klastere, istraživači su sarađivali sa Mihailom Žernenkovim, naučnikom u Nacionalnoj laboratoriji u Brukhejvenu Ministarstva energetike SAD. Oni su sproveli eksperimente koristeći sofisticirani alat za rendgenske zrake – liniju snopa meke materije – u Nacionalnom sinhrotronskom izvoru svetlosti II kako bi otkrili unutrašnji sastav polimera bez oštećenja uzoraka.
Ovi novi asocijativni polimeri su omogućili Caijevom timu da precizno proučava efekte reverzibilnih interakcija na dinamiku asocijativnih polimera.
Dinamika i ponašanje se odnose na osobine kao što su temperatura na kojoj se kretanje molekula usporava u kruto „staklasto“ stanje, viskozitet (koliko slobodno teče materijal) i elastičnost (njegova sposobnost da se vrati nakon što je deformisan). Kombinacija ovih osobina je često poželjna za dizajniranje, na primer, biomaterijala kompatibilnog sa ljudskim tkivom koji se može rekonstituisati nakon injekcije.
Tokom 30 godina, bilo je prihvaćeno da kada reverzibilne veze ostanu netaknute, one deluju kao umrežavaoci, što rezultira gumenim materijalom. Ali to nije ono što je tim predvođen UVA pronašao.
U saradnji sa Šivangom Čengom, docentom na odeljenju za hemijsko inženjerstvo i nauku o materijalima na Državnom univerzitetu u Mičigenu i stručnjakom za dinamiku protoka, tim je precizno izmerio ponašanje njihovih polimera u toku u širokom rasponu vremenskih skala.
„Ovo zahteva pažljivu kontrolu nad lokalnim okruženjem, kao što su temperatura i vlažnost polimera“, rekao je Čeng. „Tokom godina, moja laboratorija je razvila skup metoda i sistema za to.“
Tim je otkrio da veze mogu usporiti kretanje polimera i rasipati energiju bez stvaranja gumene mreže. Neočekivano, istraživanje je pokazalo da reverzibilne interakcije utiču na staklaste kvalitete polimera, a ne na njihov viskoelastičan opseg.
„Naši asocijativni polimeri obezbeđuju sistem koji omogućava odvojeno istraživanje efekata reverzibilnih interakcija na kretanje [polimera] i staklasto ponašanje“, rekao je Cai. „Ovo može ponuditi mogućnosti za poboljšanje razumevanja izazovne fizike staklenih polimera poput plastike.“
Iz svojih eksperimenata, Caijev tim je takođe razvio novu molekularnu teoriju koja objašnjava ponašanje asocijativnih polimera, što bi moglo da promeni razmišljanje o tome kako da ih konstruiše sa optimizovanim svojstvima kao što su visoka krutost i sposobnost brzog samoizlečenja.
