Molekula zvýši odolnosť polymérov, aby sa viac podobali kovom

Polyméry sa vďaka svojej nízkej cene, nízkej hustote, dobrým tepelným a elektroizolačným vlastnostiam a vysokej odolnosti voči korózii nachádzajú takmer v každom predmete používanom v každodennom živote. Neustále vystavovanie materiálom, vrátane polymérov, teplu a chladu však spôsobuje ich rozpínanie a zmršťovanie, čo v konečnom dôsledku vedie k ich poškodeniu.

Rôzne materiály sa rozťahujú a zmršťujú rôznou rýchlosťou. Napríklad kovy a keramika sa zmršťujú menej ako polyméry. Výskumníci zo Sandia National Laboratories v USA upravili molekulu, ktorá po pridaní do polyméru zvyšuje odolnosť materiálu, aby sa viac podobal kovu.

„Toto je naozaj unikátna molekula, ktorá sa pri zahrievaní namiesto toho, aby sa rozpínala, v skutočnosti zmršťuje tým, že sa mení jej tvar,“ povedala Erica Redlineová, vedkyňa v oblasti materiálov, ktorá viedla výskumný tím. „Keď sa pridá do polyméru, spôsobí, že sa tento polymér menej zmršťuje, pričom dosahuje hodnoty rozpínania a zmršťovania podobné kovom. Mať molekulu, ktorá sa správa ako kov, je dosť pozoruhodné“.

Nápad vyvinúť molekulu, ktorá zmení pravidlá hry, a ktorú výskumníci zatiaľ nepomenovali, vznikol na základe sťažností zákazníkov na krehkosť smartfónov, ktoré sú vyrobené z rôznych materiálov, z ktorých každý reaguje na teplo a chlad iným spôsobom.

„Vezmite si napríklad váš telefón, ktorý má plastový kryt spojený so sklenenou obrazovkou a vo vnútri sú kovy a keramika, ktoré tvoria obvody,“ povedal Redlineová. „Všetky tieto materiály sú priskrutkované, zlepené alebo nejakým spôsobom spojené a začnú sa rozťahovať a zmršťovať rôznou rýchlosťou, čím sa navzájom namáhajú, čo môže časom spôsobiť ich prasknutie alebo deformáciu“.

Vedci tvrdia, že táto molekula by mohla spôsobiť revolúciu v používaní polymérov v rôznych aplikáciách, vrátane elektroniky, komunikačných systémov, solárnych panelov, automobilových súčiastok, dosiek plošných spojov, leteckých konštrukcií, obranných systémov a podlahových krytín.

„Táto molekula nielenže rieši súčasné problémy, ale výrazne otvára konštrukčný priestor pre ďalšie inovácie v budúcnosti,“ povedal Jason Dugger, chemický inžinier zo Sandia National Laboratories.

Výhodou je vraj aj to, že molekulu možno počas 3D tlače v rôznych percentách vniesť do rôznych častí polyméru.

„Mohli by ste vytlačiť štruktúru s určitým tepelným správaním v jednej oblasti a iným tepelným správaním v inej, aby ste prispôsobili materiály v rôznych častiach predmetu,“ povedal Dugger.

Molekula zároveň pomáha znižovať hmotnosť materiálov tým, že eliminuje ťažké plnivá. Ako plnivá sa často pridávajú minerály, ako je uhličitan vápenatý, oxid kremičitý, íl, kaolín a uhlík, aby sa polymér ľahšie tvaroval a formoval a aby sa zabezpečila jeho stabilita.

„Umožnilo by nám to robiť veci oveľa ľahšie, aby sme ušetrili hmotnosť,“ povedal Dugger. „To je obzvlášť dôležité napríklad pri vypúšťaní satelitov. Každý gram, ktorý môžeme ušetriť, je obrovský“.

Výskumníci zatiaľ vytvorili len malé množstvá molekuly, ale pracujú na spôsobe, ako výrobu rozšíriť. V súčasnosti trvá výroba 7 až 10 gramov približne 10 dní.

„Je to bohužiaľ dlhá syntéza tejto molekuly,“ povedal Chad Staiger, organický chemik zodpovedný za vytvorenie molekuly. „Viac krokov sa rovná viac času a viac peňazí. V materiáloch s vyššou hodnotou, ako sú napríklad liečivá, zvyčajne vidíte päť až šesťkrokové syntézy. V prípade polymérov platí, že čím lacnejšie, tým lepšie pre široké použitie“.

Napriek tomu výskumníci zostávajú optimistickí, pokiaľ ide o potenciálne využitie molekuly.

„Nič podobné neexistuje,“ povedal Eric Nagel, člen výskumného tímu. „Som naozaj nadšený možnosťami, ktoré táto technológia dokáže, a aplikáciami, ktoré by s ňou mohli byť spojené“.