Nanočástice ve tvaru tetrapodu by mohly usnadnit zpracování plastů, uvádí studie IIT

Společná studie vědců ze tří indických technologických institutů (IIT) zjistila, že přidání nanočástic ve tvaru tetrapodu do určitých syntetických plastů může výrazně snížit jejich viskozitu, což usnadňuje jejich zpracování a je méně energeticky náročné.

Plasty vděčí za svou všestrannost dlouhým molekulárním řetězcům nazývaným polymery, díky nimž jsou tvarovatelné a roztažitelné. Mnoho syntetických plastů s těžkými, dlouhými řetězci však při roztavení extrémně ztloustne – což vědci nazývají vysokou viskozitou – což ztěžuje a zdražuje jejich zpracování.

Nedávná společná studie s názvem „Nanotetrapody podporují tok polymeru přes frustraci z balení vyvolanou omezením. výzkumníci z IIT Bombay, IIT Madras a IIT Kanpur prokázali, že smíchání nanočástic ve tvaru tetrapodu, drobných částic připomínajících čtyřramenné betonové struktury používané jako přerušovače mořských vln, do polymerů může zlepšit jejich tok. Účinek byl testován na polystyrenu (PS), polymeru, jehož fyzikální a reologické vlastnosti jsou dobře známy.

Výzkum vedl profesor Mithun Chowdhury, který vede Lab of Soft Interfaces na IIT Bombay, ve spolupráci s profesory Anindya Datta (IIT Bombay), Tarak K. Patra (IIT Madras) a Sivasurender Chandran (IIT Kanpur). Experimentální práci a analýzu provedli Jotypriya Sarkar, Mithun Madhusudanan, Harshit Yadav, Dr. Fariyad Ali z IIT Bombay a Dr. Sachin MB Gautham z IIT Madras.

„Tato studie otevírá cestu k potenciálně nižší zpracovatelské energii v budoucnu, pokud dokážeme hromadně syntetizovat přesně tvarované udržitelné nanočástice,“ řekl pan Chowdhury, který vede laboratoř měkkých rozhraní v IIT Bombay a vedl výzkum.

Nápad, řekl, vzešel z náhodného pozorování: „Během procházky po Marine Drive jsme viděli velké betonové tetrapody používané k rozbíjení vln. To vyvolalo otázku: co kdybychom použili drobné verze těchto tvarů v hustých polymerních tekutinách?“ Pana Chowdhuryho napadlo otestovat tetrapody kvůli jejich neobvyklé geometrii. Je známo, že nanočástice jiných tvarů, jako jsou koule nebo tyčinky, zvyšují viskozitu spíše než ji snižují, řekl.

Na rozdíl od kulovitých nebo tyčovitých nanočástic, které typicky zvyšují viskozitu, tetrapody ji snižovaly. „Simulace ukázaly, že vnitřní zakřivení tetrapodu vytváří oblasti, do kterých je pro dlouhé polymerní řetězce nepříznivé vstupovat,“ vysvětlil. „To způsobuje snížení počtu polymerů kolem nanotetrapodu, a tím umožňuje, aby polymerové řetězce klouzaly jeden přes druhý snadněji,“ dodal.

Vizualizace toho, jak se molekuly polymeru chovají odlišně kolem různých tvarů nanočástic; vlákna jsou polymerní řetězce a červené tvary jsou nanočástice. Všimněte si nižší hustoty kolem tetrapodů. | Fotografický kredit: Autoři studie

Tým získal tetrapody kadmium-selen (CdSe) z laboratoře profesora Anindya Datta v IIT Bombay a začlenil je do polystyrenu. Kontrolní experimenty s kulovitými a tyčovitými nanočásticemi CdSe potvrdily, že průtok zlepšily pouze tetrapody. Důležité je, že přidání nenarušilo mechanickou nebo tepelnou integritu polymeru.

Zjištění také naznačují, že tvar nanočástic by mohl být potenciálně použit k vyladění toku plastů. „Mnoho aplikací, jako jsou povlaky, lepidla nebo pryskyřice pro 3D tisk, vyžaduje specifickou viskozitu pro udržení tvaru nebo zatížení. Existuje spousta příkladů nanočástic zvyšujících viskozitu, ale naše studie ukazuje, že to může jít oběma způsoby. Kompaktní částice, jako jsou koule nebo silnice, mohou houstnout,“ vysvětlil pan Chowdhury.

Tým v současné době zkoumá způsoby, jak rozšířit proces přípravy kompozitů polymer-nanočástice a přizpůsobit jej různým typům polymerů. Klíčové výzvy zůstávají, včetně syntézy nanočástic ve velkém měřítku a nahrazení toxických materiálů, jako je kadmium, alternativami šetrnějšími k životnímu prostředí.

„Budoucí práce to rozšíří na další polymery a složitější geometrie nanočástic,“ dodal pan Chowdhury. V budoucnu si skupina klade za cíl vyvíjet modely využívající AI nebo techniky strojového učení, které by předpovídaly chování a tokové vzorce kompozitů polymer-nanočástice založené na geometrii nanočástic.