Bilim insanları, yalnızca tetiklendiğinde sertleşen, raf ömrü uzun "akıllı" bir plastik geliştirdi

Bilim insanları, yalnızca tetiklendiğinde sertleşen, raf ömrü uzun "akıllı" bir plastik geliştirdi

Hiç sertleşmeyen bir kova sıvı plastik, bir fabrika ortamında kulağa fantastik bir şey gibi geliyor. Bu aynı zamanda gerçek dünyada atık, gecikmeler ve güvenlik risklerine yol açan bir sorundur. Ben-Gurion Negev Üniversitesi'ndeki kimyacılar, bu sorunun üstesinden gelmenin yeni bir yolunu bulduklarını ve bunu "açma/kapama düğmesini" malzemenin içine yerleştirerek başardıklarını söylüyorlar.

Çalışmaları, haftalarca hareketsiz kalan ve yalnızca siz karar verdiğinizde sertleşen "akıllı" bir polimer sistemini tanımlıyor. Ekip, bu yaklaşımın endüstriyel kürleme, 3D baskı ve onarımları basitleştirirken enerji kullanımını azaltabileceğini ve riskli işlemleri en aza indirebileceğini belirtiyor.

Onlarca yıldır birçok araştırmacı, "uyuyan" katalizörler tasarlayarak kürleme işlemini kontrol etmeye çalıştı. Bu katalizörler, ısı, ışık veya başka bir sinyalle tetiklenene kadar hareketsiz kalırlar. Ancak bunlar hassas, pahalı ve kullanımı zor olabilir. Ben-Gurion ekibi bu fikri tersine çevirdi. Uyuma davranışını plastik yapı taşlarının içine yerleştirdiler.

Önde gelen yazarlardan biri olan doktora öğrencisi Nir Lemcoff, "Bu çalışma, polimer bilimindeki genel bir sorun hakkında yeni bir düşünme biçimini gösteriyor ve umarım alandaki bilim insanlarına kendi çalışmalarındaki zorluklara yeni bir bakış açısıyla bakmaları için ilham verecektir" dedi.

Anahtar Yapı Taşlarına Taşınıyor

Araştırmacılar, mükemmel davranan hassas bir katalizöre güvenmek yerine, "gizli monomerler" olarak adlandırdıkları şeyi yarattılar. Monomer, plastikleri oluşturmak için uzun zincirlere bağlanan küçük bir moleküldür. Bu durumda, monomerler haftalarca kararlı sıvılar olarak kalabilirler. Katalizör zaten mevcut olmasına rağmen reaksiyona girmezler.

Temel bileşenler, norbornadienler adı verilen küçük moleküllerden gelir. Normal koşullar altında, norbornadienler, halka açma metatez polimerizasyonu veya ROMP adı verilen standart bir polimer yapım yöntemi kullanılarak açılabilir ve zincirlere bağlanabilir. Ekip, bu zincir oluşturma reaksiyonunu yönlendirmek için standart bir endüstriyel katalizör kullanıyor.

Sonra püf noktası geliyor. UV ışığı norbornadienlere çarptığında, bunlar kuadrisiklan adı verilen farklı bir forma dönüşür. Kuadrisiklan "kapalı" durum gibi davranır. Bu formda, yapı taşları zincirlere bağlanmayı reddeder.

Daha sonra, hafif ısıtma kuadrisiklanı tekrar norbornadiene dönüştürebilir. Bu gerçekleştiğinde, monomerler harekete geçer ve katı malzeme oluşturmaya başlar. Araştırmacılar, bu ısıtmayı daha hedefli ve verimli hale getirmek için küçük altın nanopartiküller kullandılar. Çalışmaya liderlik eden Ben-Gurion Negev Üniversitesi Kimya Bölümü'nden Prof. Yossi Weizmann, "Uyuyan bir katalizör yerine, malzemenin kendisinin 'uyuyan' yapı taşlarını yarattık," dedi. "Karışım haftalarca rafta sessizce durabilir ve yalnızca üzerine ışık tuttuğunuzda veya ısıttığınızda katı bir maddeye dönüşür. Bu tür isteğe bağlı, ışıkla tetiklenen kürleme, endüstriyel üretim, baskı ve onarım süreçlerini daha güvenli, daha basit ve daha enerji verimli hale getirebilir."

Işık Sadece İstediğiniz Yerde Nasıl Kürleme Sağlayabilir?

Sistem, birlikte çalışan üç parçaya dayanmaktadır. Birincisi, değiştirilebilir yapı taşlarıdır. İkincisi, zaten karışıma eklenmiş standart katalizördür. Üçüncüsü ise mikroskobik ısıtıcılar gibi davranan altın nanopartiküllerdir.

Yakın kızılötesi ışık altın parçacıklarına çarptığında, çevrelerini ısıtırlar. Bu yerel ısı, kuadrisiklanı aktif norbornadien formuna geri döndürür. Daha sonra polimer zincirleri o noktada hızla oluşmaya başlar.

Bu önemlidir, çünkü sadece zamanlamayı değil, konumu da kontrol etme imkanı sunar. Prensip olarak, önce bir parçayı kaplayabilir veya doldurabilirsiniz. Daha sonra ışık desenleri veya maskeler kullanarak yalnızca seçilen alanları kürleyebilirsiniz.

Normal ısıtma da anahtarı çevirebilir, ancak ekip bunun o kadar verimli çalışmadığını söylüyor. Nanopartiküllerden gelen fototermal ısıtma, enerjiyi en çok ihtiyaç duyulan yere yoğunlaştırır.

Bu hedefli yaklaşım, üretim süreçlerine bakış açınızı değiştirebilir. Kullanıma hazır bir sıvı, kalınlaşmadan saklanabilir ve nakledilebilir. Baskılı bir parça, son sertleşme adımına kadar işlenebilir durumda kalabilir. Bir onarım karışımı önce uygulanabilir, ardından istenen zamanda sertleştirilebilir.

Üretim Sırasında Değişen Malzemeler

Çalışma, basit açma/kapama kontrolünden daha büyük bir potansiyele işaret ediyor. Başlangıçtan itibaren aktif olan monomerleri, ısıtılana kadar pasif kalan monomerlerle karıştırarak, ekip iki farklı bölüme sahip polimer zincirleri oluşturabiliyor. Bu, farklı özellikleri tek bir malzemede birleştirmeyi mümkün kılıyor.

Araştırmacılar ayrıca, önce daha yumuşak bir malzeme şekillendirme, ardından daha sert ve dayanıklı bir katıya dönüştürme yolunu da açıklıyorlar. Bu tür aşamalı sertleşme, onarımlarda, kaplamalarda ve baskılı yapılarda önemli olabilir.

Weizmann, The Brighter Side of News'e verdiği demeçte, "Kimyacılar birçok farklı norbornadien üretebildiği için, bu yaklaşım yüzlerce yeni plastik benzeri malzemeye yol açabilir. Bu malzemelerin bazılarını günümüzün standart yöntemleriyle üretmek zor olabilir" dedi.

Makalede, Ben-Gurion Negev Üniversitesi'nden Ronny Niv, Keren Iudanov, Gil Gordon, Aritra Biswas, Uri Ben-Nun ve Ofir Shelonchik de dahil olmak üzere diğer araştırmacılar da yer alıyor. Weizmann, Zuckerman STEM Liderlik Programı üyesidir. Çalışma, İsrail Bilim Vakfı ve Amerika Birleşik Devletleri-İsrail İki Uluslu Bilim Vakfı tarafından desteklenmiştir.

Araştırmanın Pratik Sonuçları

Bu strateji, depolama ve taşıma sırasında istenmeyen sertleşmeyi sınırlayarak üretimi daha güvenli hale getirebilir. Ayrıca, çok erken sertleşen atılan partileri azaltarak atıkları da azaltabilir.

Bu yaklaşım, tüm hacimleri uzun süre ısıtmak yerine, yalnızca gerektiği yerde sertleştirme yaparak enerji kullanımını azaltabilir. Bu, büyük parçalara ve sıkı zaman çizelgelerine sahip endüstriyel ortamlarda önemlidir.

3D baskı için, sistem baskılı bir özelliğin ne zaman sertleşeceği konusunda daha hassas kontrol imkanı sunuyor. Bu, daha karmaşık şekilleri ve daha az baskı hatasını destekleyebilir.

Onarımlar için, istenen zamanda sertleşen, raf ömrü uzun bir sıvı, saha çalışmalarını basitleştirebilir. Ayrıca, yalnızca belirli bölgelerin güçlendirilmesi gereken seçici takviye işlemlerine de yardımcı olabilir.

Araştırma için, yöntem yeni bir tasarım araç kutusu sunuyor. Bilim insanları, katalizörü değil, monomer yapılarını değiştirerek yeni polimerleri keşfedebilirler.

Kaynak: TBN