211service.com
Ultrasterke Nanotech-materialen
Onderzoekers hebben nanodeeltjes van klei gebruikt om een polymeermateriaal te modificeren, waardoor het 20 keer stijver, 4 keer harder en bestand is tegen temperaturen die meer dan twee keer zo heet zijn. De nieuwe materialen kunnen uiteindelijk worden gebruikt in robuuste lichtgewicht stoffen, minder omvangrijke verpakkingsmaterialen en veel lichtere auto-onderdelen.
Microscopische structuren in een nieuw, ultrasterk nanoversterkt materiaal veranderen van vorm onder stress en veranderen de manier waarop ze licht reflecteren.
Het werk maakt deel uit van een groeiende inspanning om materialen te ontwerpen met structuren op nanoschaal die lijken op die in de natuur, zoals die in ultrasterke zeeschelpen. (Zie Silicium en zon.) In het huidige werk hebben onderzoekers van het MIT-programma in polymeerwetenschap en -technologie de eigenschappen van een elastisch polyurethaan dat wordt gebruikt in biomedische toepassingen aanzienlijk verbeterd door er kleine kleideeltjes doorheen te verspreiden.
Het elastische polyurethaan is gewoonlijk gemaakt van twee soorten polymeren, de ene hard en kristallijn, de andere een zacht, verward polymeer. De onderzoekers ontwikkelden een methode om de starre structuren te versterken met dunne, platte kleiplaatjes op nanoschaal. De klei-nanodeeltjes verbinden de harde polymeerketens tot een continu netwerk dat door het zachte polymeer loopt.
Het resultaat is een materiaal met eigenschappen die doorgaans moeilijk te combineren zijn: stijfheid en rekbaarheid. In het verleden hebben anderen manieren gevonden om het materiaal stijver te maken, maar dat kwam met een compromis, zegt hoofdonderzoeker Gareth McKinley, een professor in werktuigbouwkunde aan het MIT. Bij eerdere pogingen werd een materiaal dat zeven keer stijver was gemaakt, brozer - het knapte, zegt hij. McKinley heeft het materiaal nog 23 keer sterker gemaakt - een maatstaf die wordt geassocieerd met materiaalsterkte - zonder het broos te maken. We zijn in staat om het zowel sterker te maken als het mooi en elastisch te houden, zegt hij.
Omdat het nieuwe materiaal stijf is, kost het veel energie om het te vervormen. Maar zelfs als het materiaal begint te vervormen, breekt het niet. In plaats daarvan absorbeert het nog meer energie terwijl het zich uitstrekt. Inderdaad, het nanoversterkte materiaal absorbeert maar liefst vier keer zoveel energie als het originele materiaal zonder te breken.
De grotere taaiheid betekent dat er veel minder materiaal kan worden gebruikt, tot wel 75 procent minder. Dunne vellen van het materiaal, hoewel ze bestand zijn tegen scheuren, zouden flexibel genoeg zijn om als verpakking te dienen, zoals voor de kant-en-klare maaltijden (MRE's) van het leger, zegt McKinley. Het materiaal kan ook tot vezels worden gesponnen om flexibele maar scheurbestendige stoffen te maken.
Het nieuwe materiaal is ook hittebestendig: de kleideeltjes verbeteren de sterkte van deze polymeren bij hoge temperaturen enorm, zegt McKinley. Het originele polyurethaan begint zacht te worden bij ongeveer 100 °C, verliest zijn stijfheid en breekt gemakkelijk. Maar het nieuwe materiaal is hittebestendig tot 200 graden, wat betekent dat het kan worden gebruikt in toepassingen zoals de motorkap van een auto. Omdat de materialen licht zijn, kan de brandstofbesparing mogelijk erg groot zijn, zegt McKinley.
Terwijl Evangelos Manias, een professor in materiaalkunde en techniek aan de Pennsylvania State University, zegt dat het nieuwe materiaal indrukwekkend is, waarschuwt hij dat het proces de manieren beperkt waarop het materiaal kan worden gebruikt. Als het te veel wordt verwarmd terwijl het in een product wordt verwerkt, kunnen de kleideeltjes samenklonteren, waardoor de verbeterde eigenschappen verloren gaan.
Manias zegt dat nog belangrijker dan het nieuwe materiaal het proces is dat wordt gebruikt om het te maken. Het was moeilijk om nanodeeltjes, zoals klei, uniform door polymeren te verspreiden omdat ze onverenigbare chemische eigenschappen hebben: de klei trekt water aan, terwijl de polymeren het afstoten. Het probleem wordt in dit geval nog uitdagender omdat de klei-nanodeeltjes alleen moeten verbinden met de harde segmenten van het polyurethaan en niet met het zachte, rekbare polymeergaas. Anders verliest het materiaal zijn rekbaarheid.
Om het mogelijk te maken om de klei-nanodeeltjes op de juiste plaatsen te lokaliseren, ontwikkelden McKinley en zijn collega's van MIT een systeem dat gebruik maakt van twee oplosmiddelen, één om de klei-nanodeeltjes te dispergeren en de andere om het polymeer op te lossen. Deze twee oplosmiddelen worden vervolgens gemengd totdat de gesuspendeerde nanodeeltjes gelijkmatig door het opgeloste polymeer zijn verdeeld. Het oplosmiddel dat het polymeer oploste, wordt vervolgens verdampt, waardoor een kluwen polymeer achterblijft dat de kleideeltjes vasthoudt. Omdat deze methode de nanodeeltjes niet chemisch verandert, zoals bij andere benaderingen is gedaan, behouden de deeltjes een chemische affiniteit met de stijve structuren in het polyurethaan, waardoor ze zich hieraan verbinden en niet aan de zachte delen van de structuur.
Manias zegt dat dit proces van toepassing kan zijn op een breed scala aan systemen, waarbij verschillende nanodeeltjes, zoals nanobuisjes, worden gebruikt om nog opmerkelijkere materialen te maken. Het belangrijkste is dat dit breder kan worden toegepast dan alleen polyurethaan, zegt hij. Er zijn hele wetenschapsgebieden waar dit kan worden toegepast.