L'extrémité bleue de chaque chaîne est soluble dans l'eau, alors que l'extrémité jaune ne l'est pas. Les extrémités jaunes s'agrègent ensemble dans un effort pour se séparer de l'eau. Ces amas en forme de boule sont appelés micelles. Crédit :Connor Valentine
Les chercheurs ont récemment découvert une meilleure façon de fabriquer une nouvelle classe de matériaux souples, en réduisant un processus qui prenait auparavant cinq mois à trois minutes.
Connor Valentin, un doctorat en génie chimique. étudiant, et Lynn Walker, professeur de génie chimique, travailler avec des polymères diblocs. Les polymères diblocs sont des molécules en forme de chaîne où une extrémité de la chaîne est hydrophobe, et l'autre est hydrophile. Des molécules comme celle-ci sont utilisées dans le savon car le côté hydrophobe s'accroche à la saleté et à l'huile, mais le côté hydrophile maintient les molécules dissoutes dans l'eau.
Lorsque ces molécules sont placées dans l'eau à des concentrations suffisamment élevées, ils commencent à former des amas :Les parties hydrophiles s'agglutinent au centre de la boule afin d'éviter l'humidité. Les côtés hydrophobes forment une couche semblable à une brosse à l'extérieur de la balle, protéger le centre hydrophobe.
Cependant, à mesure que vous ajoutez plus de polymères dans l'eau, ils commencent à manquer de place et s'empilent intelligemment et spontanément. Ce serait comme si vous essayiez de mettre le maximum de balles de tennis dans une boîte – vous empileriez soigneusement chaque couche.
Les agrégats de polymère forment des sphères, qui s'entassent étroitement en couches à des concentrations élevées. Environ 40 % en poids de cet échantillon sont de l'eau. Crédit :Connor Valentine
Quand ils forment ces piles, ils sont appelés cristaux parce que les modèles d'organisation se répéteront encore et encore dans toutes les directions. Des structures cristallines comme celle-ci se trouvent dans toute la nature, y compris dans les pierres précieuses, métaux, et des matériaux polymères. Les gens ont profité de l'espacement répété et constant pour créer des membranes polymères pour filtrer l'eau et les gaz. Il existe également des utilisations potentielles intéressantes dans de nouveaux matériaux souples, avec des applications qui incluent les implants médicaux, adhésifs, emballage alimentaire durable, produits de beauté liquides, et même des condiments.
Deux phases cristallines trouvées dans les matériaux polymères diblocs utilisés dans ce travail. Avec le traitement thermique et de cisaillement approprié, ces « cellules unitaires » peuvent se répéter des centaines de milliers de fois dans toutes les directions en parfaite symétrie. Crédit :Connor Valentine
Cependant, le problème survient lorsque les chercheurs tentent de créer des structures cristallines spécifiques. Les ingénieurs doivent être capables de produire de manière cohérente des cristaux avec des dispositions et des tailles spécifiques pour obtenir les performances matérielles souhaitées à l'échelle du marché. Cependant, des problèmes de traitement peuvent survenir lorsqu'ils ne comprennent pas pleinement les forces qui conduisent à la formation des cristaux. Le mauvais changement de température, vitesse de mélange, ou la formulation peut provoquer la formation soudaine de cristaux, dégrader, ou transition vers une autre organisation cristalline. Le changement d'accompagnement des propriétés du matériau peut bloquer les mélangeurs, ruiner l'équipement, et aboutir à un produit final sans valeur.
Dans ce travail, l'état cristallin souhaité peut prendre des mois pour se former à température ambiante. Ce facteur peut causer d'énormes problèmes, avec des entreprises découvrant qu'elles ont un produit avec des propriétés complètement différentes après trois mois - peut-être qu'il est volumineux, ou il est devenu raide - ou peut-être que l'entreprise doit attendre trois mois pour vendre son produit parce qu'il faut autant de temps pour obtenir la consistance de gel qu'elle désire.
"Il est important que les gens comprennent comment ces molécules de polymère se transformeront en cristaux, " dit Valentine. " Et ce n'est pas seulement s'ils se transforment en cristal qu'ils veulent; c'est le taux de celui-ci, la vitesse. Aussi, y aura-t-il d'autres phases cristallines présentes? Chaque morceau de ce matériau cristallin va-t-il être orienté de manière cohérente ? »
Valentine et Walker ont travaillé avec des collaborateurs de l'Université du Minnesota, qui a découvert que la vitesse de chauffage et de refroidissement peut produire des structures cristallines intermédiaires qui durent plusieurs mois. L'équipe de Valentine s'est appuyée sur le travail de ses collaborateurs et a étudié l'impact du traitement par cisaillement sur ces structures cristallines. Le traitement par cisaillement est un terme général qui comprend des étapes telles que le mélange, La peinture, enrobage, et tremblant - le matériau bouge. La vitesse, durée, et la direction du cisaillement peut vraiment être importante pour des matériaux comme ceux utilisés dans ce travail.
Des collaborateurs de l'Université du Minnesota ont montré dans un article précédent que cette transition de structure cristalline peut prendre jusqu'à cinq mois après le chauffage et le refroidissement. Crédit :Connor Valentine
"Le ketchup est un excellent exemple de la raison pour laquelle le traitement par cisaillement affecte les matériaux mous, car le ketchup a une limite d'élasticité et s'amincit lorsque vous le mélangez ou le traitez, " explique Valentine. " Si vous essayez de sortir du ketchup d'une bouteille en verre et qu'il s'agit d'un gel ou d'un solide, ça ne coulera pas. Mais de petits robinets (sur la bonne partie de la bouteille) feront couler très bien le ketchup. Le cisaillement modifie la microstructure du ketchup, qui modifie alors les propriétés d'écoulement. Il est important que nous comprenions l'impact du cisaillement sur tous les matériaux avec lesquels nous travaillons de la même manière."
Dans ce travail, les auteurs ont utilisé un écoulement de cisaillement oscillatoire, ce qui implique de placer le gel ou le matériau mou entre deux plaques parallèles, où la plaque supérieure peut pivoter d'avant en arrière. Les chercheurs peuvent contrôler la vitesse et la longueur de la plaque supérieure. Lorsque Valentine et son équipe ont placé les cristaux de polymère dibloc dans cette cellule de cisaillement, ils ont réussi à transformer la phase cristalline en une structure d'équilibre en trois minutes. L'équipe du Minnesota avait précédemment constaté que ce même changement structurel prenait près de cinq mois assis à température ambiante sans cisaillement.
Valentine et son équipe ont pu montrer que le traitement de cisaillement peut être utilisé pour contrôler la vitesse de cette même transition, l'accélérant pour qu'il se produise en aussi peu que trois minutes. Crédit :Connor Valentine
"Le traitement de cisaillement peut aider avec la dynamique, la vitesse, et les taux de changement structurel, pas seulement le résultat final, ce à quoi les gens ne pensent pas vraiment, " dit Valentine. " Ils pensent souvent quand vous cisaillez ces matériaux, ça va changer la structure en quelque chose de différent, mais ce n'est pas nécessairement vrai."
L'équipe a mesuré ces résultats en visitant l'accélérateur synchrotron à source de photons avancée du Laboratoire national d'Argonne, qui est essentiellement un accélérateur de particules d'un kilomètre de large. Les électrons sont accélérés autour du cercle de l'installation à presque la vitesse de la lumière. Chaque fois qu'ils se retournent, un faisceau de rayons X quitte le cercle. Ils ont utilisé ces faisceaux de rayons X à haute intensité pour mesurer la structure cristalline en temps réel.
leurs découvertes, Publié dans Lettres de macro ACS , ont montré que l'augmentation de la vitesse se produit et ont détaillé comment ajuster les paramètres de cisaillement pour atteindre le taux souhaité de formation de cristaux. Ils ont même découvert que vous pouvez empêcher le changement de se produire entièrement si le cisaillement est à des fréquences très basses avec des cycles d'oscillation très longs.
« Nous avons pu montrer que cette étape de traitement par cisaillement n'est qu'un moyen très contrôlable d'obtenir la structure que vous souhaitez et à quelle vitesse vous le souhaitez, " dit Valentin.
La recherche était en collaboration avec Ashish Jayaraman et Mahesh K. Mahanthappa, tous deux de l'Université du Minnesota.
