Plastiğin nasıl ‘karışacağına’ dair 40 yıllık tahmin ilk kez doğrulandı

A “karıştırma” 40 yıldır sadece teoride tahmin edilen plastik katmanlar arasındaki fenomen artık deneysel olarak doğrulandı.

Seul Ulusal Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Kimya ve Biyoloji Mühendisliği Bölümü’nden Profesör So Youn Kim liderliğindeki bir araştırma ekibi ve SNU Doğa Bilimleri Koleji Kimya Bölümü’nden Profesör Kyoung Taek Kim liderliğindeki bir ekip, ilk kez, sadece iplik benzeri bir doğrusal polimeri, kimyasal bileşimini değiştirmeden halka şeklinde bir polimere dönüştürerek, normalde zayıf bir şekilde karışan iki plastik katman arasındaki arayüzde karışım sağlamayı başardı.

Araştırmacılar, moleküler ağırlıklarının ve dolayısıyla zincir uzunluklarının aynı olduğu koşullar altında doğrusal ve halka polimerlerin arayüzey karışabilirliğini karşılaştırdılar. İki doğrusal polimer birleştirildiğinde arayüzey karışım genişliğinin 1,9 nm olduğunu, ancak polimerlerden biri halka mimarisine değiştirildiğinde yaklaşık 2,6 kat daha fazla olan 5,0 nm’ye yükseldiğini buldular. Sonuçlar deneysel olarak arayüzey karışımının yalnızca polimer topolojisi veya polimer mimarisi yoluyla kontrol edilebileceğini göstermektedir.

Çalışma, gerçek bir polimer arayüzündeki ilk doğrudan gözlemi işaret ediyor. “topolojik entropi” Yaklaşık 40 yıl önce teori ve simülasyonlarla öne sürülen etki. Bulgular şu adreste yayınlandı: ACS Merkezi BilimAmerican Chemical Society (ACS) tarafından yayınlanan uluslararası bir dergidir.

Aynı plastikler neden karışmaya direniyor?

Plastik ürünler genellikle farklı işlevlere sahip birden fazla polimer katmanının istiflenmesiyle yapılır. Gıda ambalajları, fonksiyonel filmler ve teşhir malzemeleri temsili örneklerdir. Polimer katmanlarının ara yüzeylerinde ne kadar iyi karıştığı, katmanlar arası yapışmayı ve stabiliteyi etkiler ve zayıf ara yüzey karışabilirliği, katmanların ayrılmasına veya ayrılmasına neden olarak bariyer performansını ve dayanıklılığını azaltabilir.

Moleküler ağırlıkta büyük bir eşitsizlik olduğunda, kimyasal olarak aynı olan polimerler bile iyi karışamayabilir. Bunun nedeni, daha kısa polimerlerin daha uzun polimerlere girdiğinde konformasyonel entropiyi (farklı konfigürasyonlara sahip olma özgürlüğü) kaybetmeleri ve bu cezanın karışımı olumsuz hale getirebilmesidir. Sonuç olarak, çok katmanlı filmler ve kaplamalar, katmanlar arasında yeterli yapışmayı sağlamak için geleneksel olarak ek bağdaştırıcılara veya yapışma maddelerine güvenmektedir.

İş parçacığı oluşturma ekstra yapılandırmalar oluşturur

Araştırmacılar zincir uçları bağlı olan halka polimerlere odaklandılar. 1986’da Cates ve Deutsch, halkalı bir polimerin doğrusal bir polimerle karşılaştığında, bir “iplik geçirme” Uzun bir zincirin bir halkadan iplik gibi geçmesi olgusu, olası moleküler konfigürasyonların sayısını artırabilir ve böylece arayüzey karışabilirliğini artırabilir. Bu topolojik entropi etkisi olarak bilinir.

Ancak şimdiye kadar bu topolojik etkinin doğrudan deneysel doğrulaması yapılmamıştı çünkü “saf” halka polimerlerinin sentezlenmesi zordur ve entropi etkisinin kendisinin izole edilmesi deneysel olarak zordur.

Araştırmacılar, Kyoung Taek Kim’in ekibinin hassas sentez yöntemini kullanarak, ayrı, saf moleküler ağırlık dağılımlarına sahip, biyolojik olarak parçalanabilen bir plastik olan doğrusal ve halka polilaktidi (PLA) sentezlediler. Bu polimerleri, çift katmanlı filmler oluşturmak için yüksek molekül ağırlıklı döteryumlu PLA’dan oluşan ince bir film üzerine biriktirdiler ve Kore Atom Enerjisi Araştırma Enstitüsü’nün HANARO araştırma reaktöründeki REF-V nötron reflektometresinde arayüzey karışımlarını ölçtüler.

Yalnızca tarafından üretilen etkiyi izole etmek ve tanımlamak “mimari” Araştırmacılar, kimyasal bileşim veya ölçüm koşulları yerine polimerin yapısını incelediler ve aynı zincir uzunluklarına sahip doğrusal ve halka polimerleri karşılaştırdılar ve arayüzey difüzyonunun zaman içinde artık değişmediği bir denge durumuna ulaştığını doğruladılar. Ayrıca, nötron yansıtması için kullanılan hidrojen/döteryum ikamesinin sonuçları etkileyip etkilemediğini belirlemek için ayrı ıslatma deneyleri de yaptılar; bu da farklılıkların moleküler topolojiden kaynaklandığını doğruladı.

Halka şekli efekti güçlendirir

Deney sonuçları beklenenden daha belirgindi. Doğrusal polimerler aynı kimyasal bileşime sahip olmalarına rağmen arayüzeyde çok az karışmışlardır. Ancak bir polimer halka mimarisine değiştirildiğinde arayüzey karışım genişliği 1,9 nm’den 5,0 nm’ye çıktı; bu da yaklaşık 2,6 kat artış anlamına geliyor. Ara yüzey karışabilirliğini temsil eden etkili etkileşim parametresinin (χeff) analizi ayrıca halka mimarisi tarafından üretilen etkinin, polimer zincir uzunluğunun basitçe iki katına çıkarılmasının etkisinden yaklaşık 22 kat daha büyük olduğunu gösterdi. Araştırmacılar bu değeri, iki etkinin göreceli büyüklüklerini karşılaştırmak için yarı niceliksel bir ölçüm olarak sundular.

Ekip ayrıca topolojik etkiyi de doğruladı. “otofobik ıslatma,” kimyasal olarak özdeş polimerlerin bile kararsız hale gelebileceği bir olgu, çünkü daha kısa polimer tabakası daha uzun polimer tabakasını kaplayamıyor ve bunun yerine büzülüyor veya ıslanıyor. Kısa doğrusal polimerler, filmin ıslatılmasıyla yüksek molekül ağırlıklı PLA üzerinde kararsız hale gelirken, aynı zincir uzunluğundaki halka polimerler kararlı bir filmi korudu.

Uyumlulaştırıcıların ötesinde bir rota

Çalışmanın önemi, plastik arayüzlerin karışabilirliğini ve stabilitesini yalnızca moleküler yöntemlerle kontrol etmek için yeni bir tasarım ilkesi önermesinde yatmaktadır. “mimari,” kimyasal bileşimi ve malzeme özelliklerini değiştirmeden bırakır. Araştırmacılar, prensibin daha geniş bir polimer ve işleme koşulları yelpazesinde doğrulanması durumunda, ayrı kimyasal bağdaştırıcılar eklemeden bu tür arayüzleri stabilize etmek için yeni bir yaklaşım sağlayabileceğini umuyor.

Son gelişmeler, polietilen ve polipropilen gibi yaygın olarak kullanılan polimerlerin halka mimarilerinin sentezlenmesini de mümkün kılmıştır. Bu çalışmada gösterilen prensip daha geniş bir plastik malzeme yelpazesine uygulanabilirse, ambalaj malzemeleri, fonksiyonel filmler, geri dönüştürülmüş plastikler ve biyolojik olarak parçalanabilen plastiklerde arayüzey performansını artırmak için potansiyel olarak kullanılabilir.

Bununla birlikte, bu çalışma halka PLA kullanılarak topolojik etkinin temel bir gösterimini temsil ettiğinden, endüstriyel uygulamadan önce etkinin çeşitli polimer ve işleme koşulları altında tekrarlanabilirliğini ve ayrıca yapışma mukavemeti ve uzun vadeli dayanıklılıktaki gelişmeleri doğrulamak için daha fazla araştırma yapılması gerekecektir.

Araştırmacılar sonraki adımları özetliyor

Bu araştırmayı denetleyen So Youn Kim şunları söyledi: “Bu çalışma özellikle önemlidir çünkü karışmaz bir arayüzün kimyasal yapıyı hiçbir şekilde değiştirmeden sadece moleküler şekli değiştirerek karışabilir hale getirilebileceğine dair 40 yıllık teorik tahminin ilk deneysel onayını sağlar. Bu çalışmada, Kore Atom Enerjisi Araştırma Enstitüsü’nün HANARO reaktöründe bulunan nötron reflektometresi, topolojik etkinin doğrudan belirlenmesinde önemli bir rol oynadı.”

Kyoung Taek Kim şunları söyledi: “Topolojik ‘saf’ halka polimerlerini hassas bir şekilde kontrol edilen moleküler ağırlıklarla sentezlemek için tekniklerimiz olduğundan, topolojik etkiyi izole edip gözlemleyebildik. Bu araştırmayı ticari polimerleri kapsayacak şekilde genişletmeyi ve yaklaşımı arayüz mühendisliği için yeni bir araç haline getirmeyi planlıyoruz.”

İlk yazar Dr. Seong Eun Kim, Kore Ulusal Araştırma Vakfı Yurtiçi Doktora Sonrası Burs Programına seçilmiştir ve şu anda termal arayüz malzemeleri (TIM’ler) üzerine araştırmalar yürüttüğü Kore Bilim ve Teknoloji Enstitüsü’nde (KIST) doktora sonrası araştırmacı olarak çalışmaktadır. İleriye dönük olarak, bu çalışma aracılığıyla geliştirilen perspektifi termal transfer malzemelerine kadar genişletmeyi planlıyor; “bir arayüzün moleküler yapısı bir malzemenin makroskobik performansını belirler”—arayüz analizindeki deneyimiyle birlikte.

Özellikle elektronik cihazlarda ısı transfer malzemeleri arasındaki arayüzlerdeki yapıların ve etkileşimlerin termal transfer performansını ve kararlılığını nasıl etkilediğini araştırmayı ve bu bulgulara dayanarak yüksek performanslı termal arayüz malzemeleri için arayüz tasarımı stratejileri geliştirmeyi amaçlayan araştırmayı sürdürmeyi planlıyor.