流體混合使軟聚合物結(jié)構(gòu)的可擴(kuò)展制造成為可能

研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)并展示了一種高效且可擴(kuò)展的技術(shù)，使他們能夠制造十幾種不同結(jié)構(gòu)或“形態(tài)”的軟聚合物材料，從帶狀和納米級(jí)片材到棒狀和支化顆粒。該技術(shù)允許用戶在微米級(jí)和納米級(jí)微調(diào)材料的形態(tài)。論文“具有不同形態(tài)的聚合物軟物質(zhì)的流體流動(dòng)模板化”在AdvancedMaterials雜志上公開(kāi)發(fā)表。

“這一進(jìn)步很重要，因?yàn)樵摷夹g(shù)可用于多種聚合物和生物聚合物。由于這些聚合物微結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)的形態(tài)對(duì)其應(yīng)用至關(guān)重要，它使我們能夠通過(guò)簡(jiǎn)單地控制結(jié)構(gòu)而不是控制結(jié)構(gòu)來(lái)獲得新的聚合物功能。高分子化學(xué)，”該論文的通訊作者、北卡羅來(lái)納州立大學(xué)化學(xué)和生物分子工程S.Frank和DorisCulberson特聘教授OrlinVelev說(shuō)。

“例如，納米片可用于設(shè)計(jì)更好的電池，而樹(shù)枝狀膠體——具有極高表面積的聚合物纖維的分支網(wǎng)絡(luò)——可用于環(huán)境修復(fù)技術(shù)或新型輕質(zhì)超材料的創(chuàng)造。”

從根本上說(shuō)，所有不同的形態(tài)都是使用稱為聚合物沉淀的眾所周知的過(guò)程產(chǎn)生的。在這個(gè)過(guò)程中，聚合物溶解在溶劑中，產(chǎn)生聚合物溶液。然后將該聚合物溶液引入第二種液體中，使聚合物重新組合成軟物質(zhì)。

這里的新鮮事是，研究人員發(fā)現(xiàn)了如何通過(guò)在制造過(guò)程中操縱三組參數(shù)來(lái)精確控制所得聚合物軟物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。

第一組參數(shù)是剪切速率，它指的是當(dāng)兩種液體混合在一起時(shí)，液體被攪拌的速度有多快。第二組參數(shù)是聚合物溶液中聚合物的濃度。最后一組參數(shù)是最初溶解聚合物的溶劑的組成，以及聚合物溶液加入的液體的組成。

“我們確定了影響聚合物材料最終形態(tài)的關(guān)鍵參數(shù)，這反過(guò)來(lái)又給了我們很大的控制力和多功能性，”該論文的第一作者和最近的博士學(xué)位RachelBang說(shuō)。畢業(yè)于北卡羅來(lái)納州。“因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在了解了這些因素中的每一個(gè)的作用以及它們?nèi)绾蜗嗷ビ绊?，所以我們可以重?fù)地微調(diào)聚合物顆粒形態(tài)。”

“盡管我們已經(jīng)展示了如何產(chǎn)生十幾種不同的形態(tài)，但我們?nèi)蕴幱谔剿魉锌赡芙Y(jié)果和應(yīng)用的早期階段，”Velev說(shuō)。

研究人員已經(jīng)證明，樹(shù)枝狀膠體可用于制造用于生長(zhǎng)活細(xì)胞的膜，或用于制造疏水性或親水性涂層。研究人員還與合作者合作，證明納米片有潛力用作鋰離子電池中更高效的隔膜。

“該技術(shù)還可以與多種天然生物聚合物一起使用，例如植物蛋白，并且可以用于支持多種應(yīng)用，例如開(kāi)發(fā)基于植物的人造肉，這需要精確控制蛋白質(zhì)顆粒形態(tài)在多個(gè)長(zhǎng)度尺度上，”新加坡理工學(xué)院和荷蘭瓦赫寧根大學(xué)的共同作者SimeonStoyanov教授補(bǔ)充道。“此外，由于我們的技術(shù)基于使用傳統(tǒng)混合器混合液體，因此可以很容易地?cái)U(kuò)大規(guī)模以用于實(shí)際制造。”

“我們目前正在與食品科學(xué)研究人員合作，以確定如何使用蛋白質(zhì)微棒來(lái)控制某些食品的質(zhì)地，”Velev說(shuō)。“而且我們還與合作者合作，探索我們的技術(shù)如何用于生產(chǎn)生物聚合物基材料，用于可生物降解的軟電子產(chǎn)品。

“我們?cè)敢馀c其他合作者合作，探索聚合物和生物聚合物在所有這些形態(tài)中的潛在應(yīng)用。”

北卡羅來(lái)納州立大學(xué)已頒發(fā)或正在申請(qǐng)關(guān)于微棒、納米纖維、樹(shù)枝狀膠體的剪切制造及其在電化學(xué)能源中的應(yīng)用的專利。

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