A estrutura permite o controle preditivo sobre a formação de polímeros padronizados

Think about ter sido encarregado de assar um suflê, exceto que a única instrução fornecida é uma lista de ingredientes sem medições ou temperaturas.

Provavelmente levaria uma quantidade enorme de tempo, esforço e ingredientes para assar o suflê perfeito. Exigiria tentativa e erro – com as medições de ingredientes, alterando a temperatura e a duração do assado – mas e se você tivesse um modelo que pudesse prever o produto remaining antes que algo fosse entrar na tigela de mistura? Ele não apenas economizaria tempo e recursos de tempo, mas também poderia fornecer detalhes úteis como o porquê e como o suflê se levantaram e desmoronou quando o fez ou por que a textura não acabou como você esperava.

Pesquisadores do Instituto Beckman de Ciência e Tecnologia Avançada não são muito suflinos. Em vez disso, eles desenvolveram um Modelo Computacional Isso se aproxima da “receita” química da fabricação de polímeros para fornecer controle preditivo sobre como os materiais se auto-organizam para dar origem a novas texturas e propriedades.

“Isso significa que os fabricantes podem projetar e simular materiais com padrões internos-aprimorando a tenacidade, reduzindo o peso ou possibilitando novas funções-antes de misturar produtos químicos no laboratório”, disse Jeffrey Moore, o presidente do Departamento de Química da Universidade de Illinois Urbana-champana.

A equipe interdisciplinar foi liderada por Philippe Geubelle, reitor associado executivo da Faculdade de Engenharia de Grainger e professora do Departamento de Engenharia Aeroespacial, Moore, e os pesquisadores primários Anna Cramblitt, estudante de graduação no Departamento de Ciência de Materiais e Engenharia e Donald Bistri, pesquisador pós -doutoral no Departamento do Departamento do Departamento do Departamento do Departamento. Seu trabalho aparece no Anais da Academia Nacional de Ciências.

A polimerização frontal é um método de subunidades de monômero de conversão rápida em complexos de polímeros, propagando uma onda de reação localizada. Os materiais de polímero incluem plástico, borracha ou resinas. Moore compara esse processo a uma frente de tempestade e o modelo preditivo que eles desenvolveram com as previsões de modelagem de um meteorologista que descreve o caminho previsto de uma tempestade.

Uma mistura líquida de produtos químicos é combinada e se transforma em um sólido quando o calor é aplicado, uma reação que se espalha como uma frente climática. Essa técnica é um sistema químico que combina fenômenos de reação e transporte fortemente acoplados.

A equipe identificou a polimerização da metátese de abertura do anel frontal, ou FromP, como um novo método para criar materiais ajustáveis ​​com diversas formas e função através do processamento reativo.

“A polimerização frontal pode ser usada para fazer Materiais de polímero e sob certas condições, materiais com padronização periódica semelhante a materiais de alto desempenho encontrados na natureza “, disse Cramblitt.

Por outro lado, outros tipos de técnicas de fabricação sintética geralmente exigem métodos de várias etapas que não tenham mão-de-obra e controlada pelo usuário que não tenham habilidades auto-organizadas de padrões emergentes encontrados em sistemas naturais.

Os padrões são de natureza onipresente; ondulado dunas de areiaárvores e vasos sanguíneos que usam ramificação fractal para otimizar a distribuição de nutrientes e oxigênio, ou padrões em espiral encontrados em DNA, conchas do mar e furacões. Esses projetos surgem da interação de componentes menores sem nenhum controle central.

Muitos padrões emergentes estão associados a funcionalidades específicas. As marcações encontradas em uma zebra, por exemplo, contribuem para a termorregulação e a camuflagem. As regiões alternadas de materials rígido e flexível das asas de libélula contribuem para asas fortes, porém compatíveis, que permitem manobras aéreas complexas.

Inspirado por vários comportamentos emergentes em sistemas biológicos, a equipe de pesquisa desenvolveu uma estrutura computacional e experimental integrada para entender e induzir a formação de padrões na frontalmente polimerizada Materiais sintéticos.

“Assim como o equilíbrio de pesos em uma escala, demonstramos como pequenas mudanças no equilíbrio químico podem derrubar o equilíbrio entre a cinética da reação e o transporte de calor para acionar a formação de padrões. De certa forma, descobrimos a receita de cozimento para fazer materiais padronizados”, disse Bistri.

Fromp permite o controle preciso das principais etapas de reação de polimerização que incluem inibição, iniciação e propagação. Ao investigar a química em cada etapa, os pesquisadores descobriram que a dinâmica de quase equilíbrio, combinada com a cinética de equilíbrio distante, aciona a formação de padrões em materiais sintéticos polimerizados frontalmente.

Os pesquisadores determinaram um determinado Equilíbrio químico que “portões” ou controla a formação de padrões durante a polimerização.

Nesse caso, os pesquisadores aproveitaram a química e a termodinâmica nos sistemas de P para impulsionar reações exotérmicas e auto-sustentáveis. Um equilíbrio entre geração de calor, cinética de reação e transporte térmico resulta em uma frente de reação que se propaga constantemente para criar um materials uniforme.

Quando a química ou a entrada térmica é alterada, o equilíbrio é interrompido, o que resulta em uma frente de propagação não uniforme que modifica a micro e macro-estrutura do materials durante o processo de polimerização.

Por exemplo, em vez de produzir um materials de rigidez uniforme, o materials pode ser fabricado para ter faixas alternadas de materials de polímero rígido e macio.

Levando suas pesquisas um passo adiante, a equipe integrou a modelagem computacional para criar um modelo dep baseado em mecanismo, com base nos princípios da cinética de reação, para entender as origens químicas do comportamento emergente em materiais sintéticos frontalmente polimerizados.

Portanto, em vez de assar mil suflinos para obter o perfeito, o modelo da equipe prevê como as mudanças na receita e na temperatura do cozimento afetarão o produto remaining antes que os ingredientes tocem a tigela de mistura.

“Estou empolgado com a liberdade de design habilitada por nossa melhor compreensão do sistema. Acho que ele abrirá portas para muitos novos experimentos. Estou ansioso para criar padrões em materiais com uma ampla gama de propriedades e caracterizar seu comportamento”, disse Cramblitt.

A equipe espera usar suas descobertas para criar materiais padronizados com propriedades ajustáveis ​​que imitam materiais naturais para obter maior tenacidade.

Colaborando com o Instituto de Pesquisadores de Tecnologia de Massachusetts, Rafael Gómez-Bombarelli e Lauren Chua, que são bem versados ​​em modelagem de teoria funcional de densidade, Geubelle espera combinar sua modelagem de DFT com a ampla modelagem de modelagem de fenômenos para fabricar em uma variedade de materiais diferentes, abrindo um design amplo de um design amplo, de um design amplo de um design amplo para o Otimes, para o Optimes, para o Optimation, para o Optimation, para o Optimation.

O sistema de modelagem pode ser comparado a um guia de receita, enquanto a DFT é mais comparável às informações de ingredientes. A receita precisa ser calibrada usando detalhes sobre ingredientes, como a energia de cada componente molecular.

“Por meio deste trabalho, estamos experimentando vincular a escala atomística ao continuum para o design acionado por computacionalmente de materiais sustentáveis. Agora podemos descobrir novas formulações de catalisador, monômero e inibidor de novo que dão origem a essas frentes químicas”, disse Chua.

Esse espaço de design expandido aumenta a flexibilidade de criar sistemas reativos e auto-organizados e fornece informações para os pesquisadores fabricam materiais sustentáveis ​​e bioinspirados com funcionalidade aprimorada.