Posypywanie nanocząsteczek może być rozwiązaniem problemu, który od dawna dręczy producentów tworzyw sztucznych – jak stworzyć materiał, który jest jednocześnie mocny, wytrzymały i łatwy w obróbce?
Hu-Jun Qian z Uniwersytetu Jilin w Chinach i jego koledzy nazywają to trójlemmą tworzyw sztucznych: zwiększenie wytrzymałości polimeru lub jego odporności na odkształcenia sprawia, że staje się on bardziej kruchy lub mniej odporny, podczas gdy próba poprawy obu tych właściwości jednocześnie zwykle sprawia, że materiał staje się bardziej lepki i trudniejszy w obróbce.
Aby poradzić sobie z tym problemem, badacze wyszczególnili nanocząsteczki z polistyrenu z kilkoma powszechnie używanymi tworzywami sztucznymi. Na przykład dodali nanocząsteczki do PEMA, polimeru używanego do produkcji aparatów słuchowych i sztucznych paznokci, szkła akrylowego stosowanego w akwariach i okularach oraz PVC, którego stosuje się w budownictwie i opakowaniach.
Zespół poddał otrzymane materiały serii testów, aby sprawdzić na przykład, jak bardzo mogą się wydłużyć przed zerwaniem. Ogólnie nowe materiały wykazały lepszą niż przeciętnie wydajność w różnych testach, czasem dramatycznie – stwierdzili, że PEMA był około 50 procent silniejszy, gdy został wzmocniony nanocząsteczkami. „To oferuje ogólną zasadę projektowania dla polimerów następnego pokolenia z wcześniej nieosiągalnymi kombinacjami właściwości” – mówi Qian.
Aby lepiej zrozumieć, dlaczego dodanie nanocząsteczek było tak pomocne, badacze przeprowadzili również symulacje komputerowe nowych materiałów. W przypadku tworzyw sztucznych poddanych stresowi, te symulacje pokazały, że nanocząsteczki mogą się przemieszczać i rozprowadzać wewnątrz materiału, pozwalając mu deformować się wolniej i płynniej zamiast pękać. Ich zdolność do ruchu była podobnie korzystna dla tworzyw sztucznych płynących łatwiej podczas topnienia. Stały się więc silniejsze, bardziej wytrzymałe i bardziej podatne na obróbkę.
Qian mówi, że podejście jego zespołu jest zgodne z istniejącymi procesami przemysłowymi i może być skalowane na duże ilości. „Ta strategia może rewolucjonizować aplikacje wymagające lekkich, silnych, wytrzymałych i łatwych do przetwarzania materiałów – takich jak kompozyty samochodowe i lotnicze, opakowania zrównoważone, urządzenia biomedyczne i zaawansowane tworzywa sztuczne nadające się do recyclingu” – mówi.
