流体混合可实现软聚合物结构的可扩展制造

研究人员已经开发并展示了一种高效且可扩展的技术，使他们能够制造十几种不同结构或“形态”的软聚合物材料，从带状和纳米级薄片到棒状和支链颗粒。该技术允许用户在微米和纳米尺度上微调材料的形态。论文“具有不同形态的聚合物软物质的流体流动模板”发表在《先进材料》杂志上。

“这一进步很重要，因为该技术可以与各种聚合物和生物聚合物一起使用。由于这些聚合物微纳米结构的形态对其应用至关重要，因此它使我们能够通过简单地控制结构而不是聚合物化学来获得新的聚合物功能，“该论文的通讯作者，北卡罗来纳州立大学化学和生物分子工程的S. Frank和Doris Culberson杰出教授Orlin Velev说。

“例如，纳米片可用于设计更好的电池，而树枝状胶体 - 具有异常高表面积的聚合物纤维的分支网络 - 可用于环境修复技术或创造新型轻质超材料。

从根本上说，所有不同的形态都是使用一种众所周知的称为聚合物沉淀的过程生产的。在此过程中，聚合物溶解到溶剂中，产生聚合物溶液。然后将该聚合物溶液引入第二种液体中，使聚合物以软物质的形式重新组合在一起。

这里的新之处在于，研究人员已经发现了如何在制造过程中通过操纵三组参数来精确控制所得聚合物软物质的结构。

第一组参数是剪切速率，它是指当两种液体混合在一起时液体搅拌的速度。第二组参数是聚合物溶液中聚合物的浓度。最后一组参数是聚合物最初溶解的溶剂的组成，以及添加聚合物溶液的液体的组成。

“我们确定了影响聚合物材料最终形态的关键参数，这反过来又给了我们很大的控制和多功能性，”该论文的第一作者，最近从北卡罗来纳州立大学毕业的博士Rachel Bang说。“因为我们现在了解了这些因素中的每一个的作用以及它们如何相互影响，我们可以重复地微调聚合物颗粒形态。

“尽管我们已经展示了如何产生十几种不同的形态，但我们仍处于探索所有可能的结果和应用的早期阶段，”Velev说。

研究人员已经证明，树突胶体可用于制造用于生长活细胞的膜，或用于制造疏水或亲水涂层。研究人员还与合作者合作，证明纳米片有可能用作锂离子电池中更有效的隔膜。

“该技术还可以与各种天然生物聚合物一起使用，例如植物蛋白，并且可用于支持各种应用，例如植物性肉类类似物的开发，这需要精确控制多个长度尺度的蛋白质颗粒形态，”共同作者，新加坡理工学院和荷兰瓦赫宁根大学的Simeon Stoyanov教授补充道。“此外，由于我们的技术基于使用传统混合器混合液体，因此可以轻松扩大规模以进行实际制造。

“我们目前正在与食品科学研究人员合作，以确定如何使用蛋白质微棒来控制某些食品的质地，”Velev说。“我们还与合作者合作，探索我们的技术如何用于生产用于可生物降解软电子产品的生物聚合物基材料。

“我们愿意与其他合作者合作，探索聚合物和生物聚合物在所有这些形态中的潜在应用。

北卡罗来纳州立大学已经颁发或正在申请关于微棒、纳米纤维、树枝状胶体的剪切制造及其在电化学能源中的应用的专利。