哥伦比亚工程的研究人员已经首次展示了一种从牡蛎壳的珍珠啤酒厂，具有非凡的机械性能的复合材料，包括巨大的力量和弹性。通过改变最初与纳米颗粒混合的聚合物的结晶速度，该团队能够控制纳米颗粒如何以三个非常不同的长度规模自组装成结构。该多尺度订购可以使基材几乎使得大小更硬，同时仍保持聚合物材料的所需可变形性和轻质行为。该研究由Sanat Kumar，Bykhovsky化学工程教授，于6月7日在线公布ACS中央科学。
Kumar是聚合物动力学和自组装方面的专家，他说:“从本质上讲，我们已经创造了一种一步法，来构建一种比主体材料更坚固的复合材料。”“我们的技术可能改善与商业相关的塑料材料的机械性能和潜在的其他物理性能，应用于汽车、保护涂层和食品/饮料包装，这些我们每天使用的东西。而且，展望未来，我们可能还能够产生有趣的电子或光学性质的纳米复合材料，可能使制造新材料和功能设备成为可能，这些材料和设备可以用于建筑等结构应用，但有能力在现场监测它们的健康。”
大约75％的商业用过的聚合物，包括用于包装和瓶子的聚丙烯的聚乙烯，是半结晶的。这些材料具有低机械强度，因此不能用于许多先进应用，例如轮胎，粉丝，保险杠等汽车配件等研究人员已知几十年来，返回到20世纪初，即在聚合物中改变纳米粒子分散体而且陶瓷基质可以显着改善材料特性。本质上的一个很好的例子是珍珠素，它是95％的无机结构和5％的晶体聚合物（几丁酸）;其分层纳米粒子排序 - 嵌入脆性血小板和弹性生物聚合物的薄层的混合物 - 强烈提高其机械性能。另外，通过纳米级（~10nm厚的）结晶生物聚合物层保持并平行的化石层，形成“砖”，其随后将“砖和砂浆”在千分尺刻度上和较大的砖上的上层建。这种结构在多个长度尺寸，大大增加了其韧性。
“While achieving the spontaneous assembly of nanoparticles into a hierarchy of scales in a polymer host has been a ‘holy grail’ in nanoscience, until now there has been no established method to achieve this goal,” says Dan Zhao, Kumar’s PhD student and first author on this paper. “We addressed this challenge through the controlled, multiscale assembly of nanoparticles by leveraging the kinetics of polymer crystallization.”
虽然专注于聚合物纳米复合材料的研究人员已经实现了在非晶聚合物基质中的纳米颗粒组织的体内控制（即，聚合物不结晶），但迄今为止，没有人能够在结晶聚合物基质中调谐纳米颗粒组件。一种相关的方法依赖于冰模板。使用这种技术，研究者已经结晶的小分子（主要是水）来组织胶体颗粒，但是，由于这些过程的内在动力学，颗粒通常被排出到微观晶状体边界中，因此研究人员已经无法订购纳米粒子穿过模仿珍珠酸的多个尺度。
Kumar的小组专家优化结构,因此聚合物纳米复合材料的性质,发现,通过混合的溶液中纳米粒子聚合物(聚氧化乙烯)和改变结晶速度不同程度的局部冷却(即多远低于熔点结晶进行),他们可以控制纳米粒子如何自组装成三种不同的尺度:纳米级、微观级和宏观级。在结晶过程开始之前，每个纳米颗粒被聚合物均匀地包裹并均匀地间隔。当聚合物结晶时，纳米粒子聚集成薄片(10 ~ 100 nm)，薄片在微尺度(1 ~ 10 μm)上聚集成团聚体。
Kumar说:“这种可控的自组装很重要，因为它在保持材料韧性的同时提高了材料的刚度。”“材料保持了纯半结晶聚合物的低密度，因此我们可以保持结构组件的重量较低，这一特性对汽车和飞机等应用非常重要，重量是关键考虑因素。通过我们的多功能方法，我们可以改变粒子或聚合物，以实现某些特定的材料行为或设备性能。”
库马尔的团队下一步计划研究使粒子向系统特定区域移动的基本原理，并开发加速粒子有序动力学的方法，目前这需要几天的时间。然后，他们计划探索其他应用驱动的聚合物/颗粒系统，如聚乳酸/纳米颗粒系统，可以设计成下一代可生物降解和可持续的聚合物纳米复合材料，以及聚乙烯/二氧化硅，用于汽车保险杠、建筑和桥梁。
Kumar说:“用这些新型复合材料替代结构材料的潜力将对可持续材料以及我们国家的基础设施产生深远的影响。”
这是说明聚合物结晶速度可用于控制纳米颗粒的空间分布。杂质（这里，纳米颗粒）如果它会变得太快，晶体将被晶体吞噬。但是，当速率放缓时，晶体将排出缺陷。（图片信用：Sanat Kumar / Columbia Engineering）
提交：M2M（机器到机器）
