צוות של כימאים מ-MIT ומאוניברסיטת דיוק גילה דרך מנוגדת לאינטואיציה להפוך פולימרים לחזקים יותר: הכנסת כמה קשרים חלשים יותר לתוך החומר.
בעבודה עם סוג של פולימר המכונה אלסטומרים polyacrylate, החוקרים גילו שהם יכולים להגביר את עמידות החומרים בפני קריעה עד פי עשרה, פשוט על ידי שימוש בסוג חלש יותר של crosslinker כדי להצטרף לחלק מאבני הבניין הפולימריות.
פולימרים דמויי גומי אלו משמשים בדרך כלל בחלקי רכב, והם משמשים לעתים קרובות גם כ"דיו" לאובייקטים מודפסים בתלת מימד. החוקרים בוחנים כעת את ההרחבה האפשרית של גישה זו לסוגים אחרים של חומרים, כמו צמיגי גומי.
"אם אתה יכול ליצור צמיג גומי עמיד פי 10 בפני קריעה, זה יכול להיות בעל השפעה דרמטית על חיי הצמיג ועל כמות הפסולת המיקרו-פלסטיקית שמתפרקת", אומר ג'רמיה ג'ונסון, פרופסור לכימיה ב-MIT ו אחד הכותבים הבכירים של המחקר, המופיע היום ב מַדָע.
יתרון משמעותי של גישה זו הוא שלא נראה שהיא משנה אף אחת מהתכונות הפיזיקליות האחרות של הפולימרים.
"מהנדסי פולימרים יודעים לעשות חומרים קשוחים יותר, אבל זה תמיד כרוך בשינוי תכונה אחרת של החומר שאינך רוצה לשנות. כאן, שיפור הקשיחות מגיע ללא כל שינוי משמעותי אחר בתכונות הפיזיקליות – לפחות שאנחנו יכול למדוד – וזה נוצר באמצעות החלפה של חלק קטן בלבד מהחומר הכולל", אומר סטיבן קרייג, פרופסור לכימיה באוניברסיטת דיוק שהוא גם מחבר בכיר של המאמר.
פרויקט זה צמח מתוך שיתוף פעולה ארוך שנים בין ג'ונסון, קרייג ופרופסור מייקל רובינשטיין מאוניברסיטת דיוק, שהוא גם מחבר בכיר של המאמר. המחבר הראשי של העיתון הוא שו וואנג, פוסט דוקטורט ב-MIT שרכש את הדוקטורט שלו ב-Duke.
החוליה החלשה ביותר
אלסטומרים פולי-אקרילטים הם רשתות פולימריות העשויות מגדילים של אקרילט המוחזקים יחד על ידי קישור מולקולות. ניתן לחבר את אבני הבניין הללו בדרכים שונות ליצירת חומרים בעלי תכונות שונות.
ארכיטקטורה אחת המשמשת לעתים קרובות עבור פולימרים אלה היא רשת פולימר כוכב. פולימרים אלו עשויים משני סוגים של אבני בניין: האחד, כוכב בעל ארבע זרועות זהות, והשני משרשרת הפועלת כמקשר. קישורים אלו נקשרים לקצה כל זרוע של הכוכבים, ויוצרים רשת הדומה לרשת כדורעף.
במחקר משנת 2021, קרייג, רובינשטיין ופרופסור MIT בראדלי אולסן חברו למדוד את החוזק של הפולימרים הללו. כפי שציפו, הם גילו שכאשר נעשה שימוש במקשרי קצה חלשים יותר כדי להחזיק את גדילי הפולימר יחדיו, החומר נעשה חלש יותר. את המקשרים החלשים יותר, המכילים מולקולות מחזוריות הידועות בשם ציקלובוטן, ניתן לשבור בהרבה פחות כוח מאשר המקשרים המשמשים בדרך כלל לחיבור אבני הבניין הללו.
כהמשך למחקר זה, החוקרים החליטו לחקור סוג אחר של רשת פולימר שבה גדילי פולימרים מקושרים לגדילים אחרים במקומות אקראיים, במקום להיות מחוברים בקצוות.
הפעם, כשהחוקרים השתמשו במקשרים חלשים יותר כדי לחבר את אבני הבניין של האקרילט יחד, הם גילו שהחומר נעשה הרבה יותר עמיד בפני קריעה.
זה קורה, מאמינים החוקרים, מכיוון שהקשרים החלשים יותר מופצים באופן אקראי כצמתים בין גדילים חזקים אחרת בכל החומר, במקום להיות חלק מהגדילים האולטימטיביים עצמם. כאשר חומר זה נמתח עד לנקודת השבירה, כל הסדקים המתפשטים דרך החומר מנסים להימנע מהקשרים החזקים יותר ולעבור את הקשרים החלשים יותר במקום. פירוש הדבר שהסדק צריך לשבור יותר קשרים ממה שהוא היה צריך אם כל הקשרים היו באותו חוזק.
"למרות שהקשרים האלה חלשים יותר, בסופו של דבר צריך לשבור יותר מהם, כי הסדק לוקח דרך דרך הקשרים החלשים ביותר, שבסופו של דבר הוא נתיב ארוך יותר", אומר ג'ונסון.
חומרים קשים
באמצעות גישה זו, החוקרים הראו שפולי-אקרילטים ששילבו כמה מקשרים חלשים יותר היו קשים יותר לקרוע פי תשעה עד 10 מפולי-אקרילטים שנעשו עם מולקולות צולבות חזקות יותר. אפקט זה הושג גם כאשר המצולבים החלשים היוו רק כ-2 אחוזים מההרכב הכולל של החומר.
החוקרים גם הראו שהרכב שונה זה לא שינה אף אחת מהתכונות האחרות של החומר, כמו עמידות להתפרקות בעת חימום.
"לשני חומרים אותם מבנה ואותן מאפיינים ברמת הרשת, אבל יש הבדל כמעט בסדר גודל בקריעה, זה די נדיר", אומר ג'ונסון.
החוקרים חוקרים כעת האם ניתן להשתמש בגישה זו כדי לשפר את הקשיחות של חומרים אחרים, כולל גומי.
"יש כאן הרבה מה לחקור על איזו רמת שיפור ניתן להשיג בסוגים אחרים של חומרים וכיצד לנצל את זה בצורה הטובה ביותר", אומר קרייג.
קישור לכתבת המקור – 2023-06-22 21:23:55
