Aquamelt

Aquamelt to naturalnie uwodniony materiał polimerowy , który może zestalać się w temperaturach otoczenia dzięki kontrolowanym naprężeniom (mechanicznym lub chemicznym) .

Są wyjątkowe, ponieważ są w stanie „zablokować” zastosowaną do nich pracę poprzez zmianę wiązań wodorowych , co umożliwia ich przetwarzanie z około 1000 razy mniejszą energią niż standardowe polimery. Zostało to ostatnio wykazane w przypadku archetypowego biopolimeru , jedwabiu , jednak uważa się, że mechanizm krzepnięcia jest nieodłączny dla wielu innych materiałów biologicznych.

Odkrycie i mechanizm

Aquamelts zostały zdefiniowane jako nowa klasa materiałów polimerowych w wyniku porównania surowca przędzalniczego chińskiego jedwabnika ( Bombyx mori ) i stopionego polietylenu o dużej gęstości (HDPE) przy użyciu obrazowania w świetle spolaryzowanym wywołanym ścinaniem (SIPLI).

Obecne rozumienie fibrylacji indukowanej ścinaniem wymaga, aby łańcuchy polimerowe przechodziły następującą serię etapów: i) cząsteczki długołańcuchowe są rozciągane, ii) i tworzą trwałe jądra punktowe, które iii) ustawiają się pod wpływem przepływu w rzędy, a następnie iv) rosną, tworząc włókienka krystaliczne. Aby te fibryle pozostały, temperatura próbki musi być obniżona poniżej temperatury topnienia polimerów. Proces ten jest analogiczny do fibrylogenezy naturalnych polimerów jedwabiu, w których białka wyrównują się (ponownie fałdują), zarodkują ( denaturują ) i krystalizują (agregują). Jednak w przypadku jedwabiu włókna utrzymują się bez potrzeby obniżania temperatury.

Z perspektywy makrocząsteczkowej uważa się, że te dwa procesy są podobne ze względu na wyjątkową interakcję natywnego białka z jego ściśle związaną wodą. Podobnie jak pojedynczy łańcuch polimeru w stopie, natywne białko i jego ściśle związane cząsteczki wody można uważać nie za roztwór, ale za pojedynczą przetwarzalną jednostkę, nanokompozyt określany jako „aquamelt”.

Różnice między typowym polimerem a aquameltem są uwydatnione przez zdolność aquameltu do krzepnięcia w odpowiedzi na naprężenia w temperaturach otoczenia. Dzieje się tak, gdy zastosowane naprężenie jest wystarczające do oddzielenia ściśle związanej wody od białka, rozszczepiając nanokompozyt. Skutkuje to zmianami konformacyjnymi białka i zwiększonym prawdopodobieństwem utworzenia wiązań wodorowych między łańcuchami białkowymi, a następnie zestaleniem. Struktury wieloskalowe, tj. fibryle lub pianki , są wynikiem połączenia kierunkowych pól naprężeń i właściwości samoorganizacji aquameltu.

Potencjalne zastosowania

Aquamelts oferuje kilka zalet w porównaniu z obecnymi rozwiązaniami do produkcji polimerów syntetycznych . Po pierwsze, są pochodzenia naturalnego, nie są uzależnione od ropy naftowej do produkcji, nadają się do recyklingu i biodegradacji . Po drugie, można je przetwarzać w temperaturze pokojowej i pod ciśnieniem, w wyniku czego jedynie woda jest produktem ubocznym procesu zestalania. Po trzecie, obliczenia pracy przeprowadzone na surowcach jedwabiu i polietylenu o dużej gęstości ujawniły dziesięciokrotną różnicę w ilości energii ścinania wymaganej do zainicjowania zestalenia. Biorąc pod uwagę temperaturę przetwarzania, różnica w zapotrzebowaniu na energię potrzebną do zastygnięcia jest tysiąckrotnie mniejsza w przypadku aquameltów niż w przypadku polimerów syntetycznych.