Специалисты из Университета Карнеги-Меллона (CMU), частного исследовательского центра в Питтсбурге (США), смогли использовать молекулярное моделирование для изучения и возможностей контроля свойств полимерных самособирающихся материалов. Об этом сообщает портал Nanowerk. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
Когда пластиковые материалы используются или перерабатываются, их основные свойства могут ухудшаться из-за повреждений, вызванных деформацией. Процессы переработки, как правило, разрушают молекулярные связи внутри материалов, делая их более слабыми и менее прочными. Один из способов сделать пластик более устойчивым – это использовать самособирающиеся мягкие материалы, которые могут восстанавливать свои прежние молекулярные связи (а также прочность) после повреждения.
Многие исследователи изучают применение самовосстанавливающихся материалов там, где пластиковые компоненты трудно заменить или отремонтировать, например, в нанотехнологичных модулях электроники или в биомедицинских материалах внутри человеческого тела. Однако у ученых нет полного понимания их поведения на молекулярном уровне.
Томас О’Коннор, доцент кафедры материаловедения и инженерии CMU, работает над тем, чтобы это изменить. Он и его коллеги применили молекулярное моделирование для изучения разновидности самособирающихся материалов, называемых ассоциированными полимерами.
Подобные полимеры состоят из длинных молекулярных цепей, которые по всей своей длине содержат тесно связанные группы. В свою очередь, группы притягиваются друг к другу и объединяются, образуя кластеры, которые соединяют разные цепи в сеть, похожую на некую молекулярную «лапшу в миске».
Когда полимеры повреждены деформацией, устойчивые кластеры могут преобразоваться и заживить материал. Но если подобные молекулярные взаимодействия станут слишком сильными, то сформируются очень большие кластеры, и полимер станет слишком жестким, что отразится на его производственных характеристиках.
Когда О’Коннор в ходе своего исследования растягивал полимерные цепи, он обнаружил, что самые большие и сильные кластеры имеют тенденцию распадаться и позволяют цепям течь подобно жидкости, в то время как другие, более слабые кластеры, не разрываются и препятствуют удлинению цепей. Такая неоднородная реакция – различное молекулярное поведение на один и тот же раздражитель – помогла объяснить, почему эти материалы настолько непредсказуемы при их использовании в производственных целях.
Но затем, когда О’Коннор ускорил процессы деформации растяжением, проявилась противоположная тенденция: чем быстрее растягивались полимерные цепи, тем в большей степени они начинали вести себя одинаково. На высоких скоростях деформаций кластеры, которые действовали как постоянные соединения, распадались и образовывали множество меньших кластеров со свойствами, аналогичными уже существующим меньшим кластерам.
Все это позволило точнее смоделировать поведение полимерных цепей самособирающихся материалов при деформации растяжением. Используя выявившиеся закономерности поведения молекулярных цепей, исследовательская группа О’Коннора показала достижимость возможности точно контролировать размер и стойкость кластеров внутри них, что является основополагающим для будущего обработки и производственного применения самособирающихся материалов.