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Aug 28, 2023

弱い結合が強いポリマーを作る

驚くべきことに、壊れやすい結合がいくつかある素材ほど破れにくいのです。 MIT とデューク大学の化学者は、ポリマーをより強くする直観に反する方法を発見しました。 一緒に働く

驚くべきことに、壊れやすい結合がいくつかある素材ほど破れにくいのです。

MIT とデューク大学の化学者は、ポリマーをより強くする直観に反する方法を発見しました。

研究者らは、分子を連結することによって結合されたアクリレートのストランドから作られたポリマーネットワークであるポリアクリレートエラストマーを使って研究し、ポリマーの一部を結合するために弱いタイプのリンカーを使用することにより、材料の引き裂きに対する耐性を最大10倍近くまで高めることができることを発見した。ビルディングブロック。

このようなポリマーは、自動車部品や 3D プリント オブジェクトの「インク」として一般的に使用されています。 研究者らは現在、ゴムなどの他の材料へのこのアプローチの応用を模索している。

マサチューセッツ工科大学の化学教授ジェレマイア・ジョンソン氏は、「ゴムタイヤの耐引裂性を10倍にすることができれば、タイヤの寿命と破断するマイクロプラスチック廃棄物の量に劇的な影響を与える可能性がある」と語る。この研究の上級著者の一人。

このアプローチの大きな利点は、加熱時の分解に対する耐性など、ポリマーの他の物理的特性が変化しないように見えることです。

「ポリマーエンジニアは材料をより強靱にする方法を知っていますが、それには常に、変えたくない材料の他の特性を変えることが含まれます。 ここで、靱性の向上は、物理的特性に他の大きな変化を伴うことなく、少なくとも私たちが測定できる範囲で生じています」と、デューク大学の化学教授であり、もう一人の上級著者であるスティーブン・クレイグ氏は述べています。

このプロジェクトは、クレイグ氏、デューク大学のマイケル・ルービンスタイン教授、マサチューセッツ工科大学のブラッドリー・オルセン教授が2種類の構成要素から作られる星型ポリマーネットワークの強度を測定した2021年の研究のフォローアップだった。リンカーは各アームの端に結合し、網状の構造を作成します。 予想通り、より弱い末端リンカーを使用してポリマー鎖を結合すると、材料はより弱くなりました。

新しい研究では、研究者らは、ポリマー鎖が端で結合されるのではなく、ランダムな位置で他の鎖に架橋される、異なるタイプのネットワークを調査した。 今回は、より弱いリンカーを使用することで、材料の引き裂きに対する耐性が大幅に向上しました。

研究者らは、その理由は、材料全体で弱い結合が、そうでなければ強い鎖の間の接合部としてランダムに分布しているためであると考えている。 この材料が破断点まで引き伸ばされると、その中を伝播する亀裂は、より強い結合を避け、代わりに弱い結合を通過しようとします。 これは、すべての結合が同じ強度である場合よりも、亀裂がより多くの結合を破壊する必要があることを意味します。

「たとえそれらの絆が弱かったとしても、亀裂は最も弱い絆を通り抜け、最終的にはより長い道のりになるため、最終的にはより多くの絆を断ち切る必要があるのです」とジョンソン氏は言う。

実際、弱い架橋剤が材料のわずか約 2% しか含まれていない場合でも、いくつかの弱いリンカーを組み込んだポリアクリレートは、より強力な架橋分子で作られたポリアクリレートよりも 9 ～ 10 倍引き裂きが困難でした。

「2 つの材料がネットワーク レベルで同じ構造と同じ特性を持ちながら、引き裂きにほぼ 1 桁の差があることは、非常にまれです」とジョンソン氏は言います。

この記事は、2023 年 9 月/10 月号の一部です。

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