Les chercheurs de l'armée ont réalisé une percée dans la science naissante des polymères bidimensionnels grâce à un programme de collaboration qui fait appel à l'aide de scientifiques et d'ingénieurs de premier plan dans le monde universitaire, connu sous le nom de nominations conjointes au sein du corps professoral.

Des chercheurs du U.S. Army Combat Capabilities Development Command, maintenant connu sous le nom de DEVCOM, Laboratoire de recherche de l'armée en partenariat avec le professeur Steve Lustig, un poste de professeur conjoint à l'Université Northeastern, accélérer le développement de polymères 2D pour des applications militaires.

La collaboration avec ARL Northeast a conduit à une étude révolutionnaire publiée dans la revue scientifique à comité de lecture Macromolécules . Les rédacteurs ont présenté la recherche dans un article de couverture.

"Les polymères 2-D sont étudiés très sérieusement d'un point de vue synthétique depuis seulement 10 ans environ, " a déclaré le Dr Eric Wetzel, chef de domaine de recherche pour les matériaux du soldat au laboratoire. "Ils représentent une nouvelle, classe de matériaux relativement inexplorée avec un potentiel énorme."

Selon Wetzel, Les polymères 2-D ont une très répétable, motif symétrique semblable à "fil de poulet, " qui offre l'accès à plus d'améliorations structurelles par rapport à l'unidimensionnel, polymères linéaires comme le Kevlar.

Afin d'évaluer le plein potentiel de ces matériaux, Des chercheurs de l'armée ont commencé à concevoir par ordinateur des polymères 2D dans l'espoir de développer une alternative supérieure aux fibres d'aramide conventionnelles pour des applications telles que les armures et les vêtements résistants au feu.

le professeur Steve Lustig, un poste de professeur conjoint à l'Université Northeastern, utilise son expérience de l'industrie avec DuPont pour aider les chercheurs de l'armée à calculer la durabilité environnementale des polymères 2D simulés.

Afin de créer correctement un polymère 2D capable de résister aux conditions du monde réel, Les chercheurs de l'armée ont demandé l'aide de Lustig, qui a précédemment travaillé chez DuPont Central Research &Development pendant plus de deux décennies avant de devenir professeur agrégé titulaire à la Northeastern University.

"L'idée du projet polymère 2-D est essentiellement de faire une version 2-D du Kevlar, " Lustig a déclaré. " J'ai plus d'une décennie d'expérience de travail avec l'entreprise Kevlar dans divers aspects de la polymérisation des polymères cristallins liquides, transformation et propriétés. L'équipe ARL pensait que mon expérience serait utile."

Lustig a expliqué qu'il avait entendu parler du laboratoire pour la première fois au milieu des années 2000 lorsqu'il est entré en contact avec le Dr Kenneth Strawhecker, un scientifique de l'armée qui avait contacté DuPont à la recherche de collaborations industrielles.

À l'époque, Lustig a travaillé en tant que scientifique principal dans le groupe de physique des polymères de DuPont et s'est spécialisé dans le développement de nouveaux outils pour la mécanique statistique, thermodynamique statistique et simulations moléculaires.

En plus de son expertise sur le volet informatique de la recherche industrielle, il a également mené des expériences de synthèse chimique, traitement des polymères, caractérisation des propriétés des matériaux polymères et microscopie à force atomique.

"Je n'ai jamais eu la patience de rester au même endroit et de devenir maître dans un tout petit domaine, " Lustig a déclaré. " J'ai toujours essayé de résoudre les problèmes de manière holistique en utilisant des expériences, théorie et informatique."

Une fois que Lustig a rencontré Strawhecker, les deux ont commencé une série de collaborations informelles axées sur l'utilisation de la microscopie à force atomique pour comprendre non seulement la structure des matériaux en Kevlar, mais aussi leur réponse à la déformation en traction et à la mécanique de flexion.

La revue scientifique Macromolécules présente l'étude menée par l'armée sur la couverture intérieure de son dernier numéro.

L'American Chemical Society a ensuite publié les résultats de cette recherche en couverture de la revue scientifique à comité de lecture Matériaux appliqués et interfaces en 2020.

Même après que Lustig ait quitté DuPont en 2016, il poursuit ses collaborations avec le laboratoire en tant que chercheur invité. Peu de temps après l'une de ses présentations en séminaire au laboratoire, il a rencontré Wetzel, qui a immédiatement reconnu la valeur de l'expérience industrielle de Lustig.

Au cours de son interaction continue avec Strawhecker et Wetzel, Lustig a obtenu l'opportunité de devenir membre du corps professoral commun de l'ARL après avoir rejoint le département de génie chimique de la Northeastern University.

En raison de sa proximité avec le campus nord-est de l'ARL, Strawhecker et Wetzel considéraient Lustig comme le meilleur candidat pour le poste.

« L'initiative ARL Open Campus offre un moyen de puiser dans une expertise extérieure qui n'existe peut-être pas au sein de notre laboratoire, " Wetzel a déclaré. " La nomination conjointe des professeurs est une nouvelle construction au sein d'Open Campus qui n'existe que depuis quelques années, mais nous avons pu intégrer un expert avec des années d'expérience chez DuPont dans notre programme de recherche grâce à ce mécanisme."

Selon Wetzel, La longue histoire de Lustig avec des projets de développement de fibres haute performance chez DuPont a permis aux chercheurs de l'armée d'accéder à des capacités de modélisation uniques ainsi qu'à des conseils inestimables sur les méthodes et techniques qui amélioreraient la stabilité de leurs polymères conceptuels 2-D.

En tant que membre du corps professoral conjoint, Lustig a analysé la durabilité environnementale des conceptions de polymères 2D du laboratoire et a effectué des simulations informatiques qui ont déterminé leur résistance à des conditions extrêmes telles que la chaleur intense.

Lustig a travaillé aux côtés du Dr Jan Andzelm, un scientifique de l'armée et membre de l'ARL dont l'expertise dans les simulations moléculaires des polymères était essentielle pour exécuter les calculs.

Grâce à ces simulations informatiques, les chercheurs ont comparé la stabilité thermique du polymère 1D Kevlar, un polymère 2-D appelé cadre organique covalent amide, connu sous le nom d'amCOF, et un hypothétique polymère 2-D conçu par le laboratoire appelé graphamide.

"Nous avons effectué une série de mesures très précises, des calculs de mécanique quantique de haut niveau appelés dynamique moléculaire ab initio et étudié les changements de structure entre les trois molécules que nous avons examinées, " a déclaré Lustig. " Une fois que nous avons confirmé que notre méthode pouvait décrire avec précision une molécule bien connue comme le Kevlar, nous pourrions l'appliquer à des molécules que nous ne connaissions pas comme le graphamide et faire des prédictions précises sur leur comportement et leurs propriétés."

Les résultats de l'étude comparative ont montré que le graphamide pouvait potentiellement résister à des températures pouvant atteindre 700 degrés Celsius, qui dépassait les limites du Kevlar et du matériau amCOF.

Compte tenu de l'acceptation de l'étude comme article de couverture, Lustig a déclaré qu'il pensait que le dernier succès de l'équipe mettait clairement en évidence l'importance des initiatives ARL Open Campus telles que les nominations conjointes des professeurs.

Lustig a exprimé sa gratitude au laboratoire pour son poste et a mentionné qu'il considérait cette opportunité comme un excellent moyen pour lui d'aider l'armée dans ses efforts.

"Je me suis impliqué dans le Kevlar en premier lieu parce que mon père était militaire de carrière, donc l'idée de protéger des gars comme mon père est vraiment importante pour moi. " Lustig a déclaré. " Je suis très heureux que nous puissions offrir aux soldats de nouveaux matériaux pour rendre leur travail plus facile et plus sûr. "