Hao Mei, étudiant diplômé de l'Université Rice, tient une assiette avec un motif de polymères en brosse à bouteilles orthographié "RICE". Les polymères microscopiques pourraient donner à l'industrie un contrôle exquis sur les propriétés des revêtements de surface. Crédit :Jeff Fitlow/Université Rice
Un polymère microscopique sous la forme d'un ustensile de cuisine commun pourrait donner à l'industrie un contrôle exquis sur les revêtements.
Les copolymères pour goupillons sont depuis longtemps un sujet d'étude pour Rafael Verduzco, ingénieur chimiste et biomoléculaire à la Brown School of Engineering de l'Université Rice. Maintenant, lui et ses collaborateurs ont développé des modèles et des méthodes pour affiner les revêtements de surface pour les fabriquer, par exemple, plus étanche ou plus conducteur.
Les chercheurs ont découvert que les goupillons mélangés à des polymères linéaires ont tendance à migrer vers le haut et le bas d'un film mince lorsqu'il sèche. Ces films, comme revêtements, sont omniprésents dans les produits, par exemple en tant que couches imperméables pour empêcher les métaux de rouiller ou les tissus de se tacher.
Lorsque la migration se produit, les polymères linéaires tiennent le centre tandis que les goupillons sont attirés vers l'air au-dessus ou le substrat en dessous. Cette, Verduzco a dit, découple efficacement les propriétés du revêtement en vrac de ses surfaces exposées.
Des modèles informatiques et des expériences ont montré que les variations du goupillon lui-même pouvaient être utilisées pour contrôler les caractéristiques de la surface.
Les polymères pour goupillons restent difficiles à fabriquer en vrac, Verduzco a dit, mais leurs utilisations potentielles sont vastes. Les applications pourraient inclure l'administration de médicaments via des goupillons fonctionnalisés qui forment des micelles, lubrifiants, élastomères souples, des filtres anti-fouling et des surfaces qui se cicatrisent, il a dit.
Un revêtement hydrophobe de polymères pour goupillons créé par les ingénieurs de l'Université Rice résiste à une goutte d'eau. Les brosses à bouteilles microscopiques peuvent être configurées pour conférer aux revêtements des propriétés spécifiques pour de nombreuses applications. Crédit :Jeff Fitlow/Université Rice
Les détails apparaissent dans le journal de l'American Chemical Society Macromolécules .
Le laboratoire du riz, avec l'aide de pairs de l'Université du Tennessee, Knoxville ; Laboratoire national d'Oak Ridge et l'Université de Houston, caractérisé divers goupillons en polystyrène et poly(méthacrylate de méthyle) (alias PMMA) tout en étudiant les causes de la migration des polymères.
Ressemblant à leurs cousines de la macro cuisine (ainsi qu'à certaines fleurs), Les goupillons sont constitués de petites chaînes de polymère qui rayonnent vers l'extérieur à partir d'une tige de polymère linéaire. Les goupillons s'auto-assemblent en solution, qui peuvent être manipulés pour ajuster leurs propriétés.
Les revêtements sont omniprésents, dit Verduzco. « Si nous n'avions pas les bons revêtements, nos matériaux se dégraderaient rapidement, " at-il dit. "Ils réagiraient d'une manière que nous ne voulons pas qu'ils le fassent. Ainsi, le revêtement d'une surface est généralement un processus distinct; vous fabriquez quelque chose et vous devez ensuite trouver un moyen de déposer un revêtement dessus.
"Ce que nous regardons, c'est une sorte d'additif universel, une molécule que vous pouvez mélanger avec tout ce que vous fabriquez qui ira spontanément à la surface ou à l'interface, " dit-il. " C'est comme ça que nous avons fini par utiliser des goupillons. "
Rafaël Verduzco, la gauche, un ingénieur chimiste et biomoléculaire à l'Université Rice, et l'étudiant diplômé Hao Mei a mené une étude qui montre que des polymères de goupillons microscopiques sont dessinés en haut et en bas d'un revêtement appliqué sur une surface. La découverte pourrait conduire à un moyen de personnaliser les propriétés des revêtements pour des applications spécifiques. Crédit :Jeff Fitlow/Université Rice
Les brosses à bouteilles peuvent être réglées en faisant varier le nombre de chaînes latérales, leur longueur ou la longueur du squelette polymère, dit Verduzco. Les chaînes latérales elles-mêmes peuvent être de type mixte, et de petites molécules ou protéines peuvent être ajoutées à leurs groupes terminaux.
"La chimie de ces matériaux est suffisamment avancée pour que vous puissiez mettre à peu près n'importe quel type de polymère comme l'un de ces poils sur la chaîne latérale, " dit-il. " Vous pouvez les mettre dans un ordre différent. "
Les chercheurs ont découvert que la thermodynamique entropique et enthalpique éloignait presque complètement les goupillons de l'intérieur des films et vers les interfaces au fur et à mesure qu'ils séchaient. Même là où les polymères linéaires ont été conçus pour s'apparier à l'interface de surface, les brosses à bouteilles montaient encore à la surface exposée.
Verduzco a noté que les résultats ont été rendus possibles grâce au spectromètre de masse à ions secondaires de vol acquis par Rice en 2018 grâce à une subvention de la National Science Foundation. Le spectromètre a permis aux chercheurs de caractériser non seulement la surface des revêtements en les bombardant d'ions, mais aussi comment les revêtements ont changé au fur et à mesure que les couches microscopiques étaient retirées de haut en bas.
