Table of Contents

הנדסת חומרים מבוססת פולימר: חומרים הנדסיים בקנה מידה מולקולרי

חומרים מדע הגיע לרגע מרכזי שבו הגבולות בין כימיה, פיזיקה ו ⁇ הנדסה בקנה מידה ננומטר. nanostructures מבוססי פולימר עומדים במרכז של טרנספורמציה זו, המציע נתיב לחומרים כי הם בו זמנית חזקים יותר, בהיר יותר, פונקציונלי יותר מכל דבר אפשרי קודם לכן. על ידי סידור שרשראות פולימר וננומטרי חיזוקים לתוך ארכיטקטורות מבוקרות בקפידה, החוקרים פותחים רק כאשר פחות מ -100 חומרים אלה הם לא מייצגים חומרים מפלסטיקה ובאופן מכוון עבור חומרים.

המאפיין של nanostructures פולימרים הוא הדומיננטיות של פני השטח ואפקטים ממשק.כאשר פולימר מוגבל ננומטר-תיק סרטים או כאשר חלקיקים מפוזרים בתוך ממטריקס פולימר, האזור הבין-גזעי בין מרכיבים הופך עצום. זה גבוה פני השטח-לנפח פירושו כי אינטראקציות בין שרשראות פולימרוניות וממלאים, או בין רמות פולימרים שונים - חומרים תרמיליים, כמו טמפרטורות קשיחות, כגון גרורתיות מגנטיות, יכול לכלול מגנטיות נוקשה.

הבנה כיצד לעצב חומרים אלה דורשת תפיסה של מדע היסוד ואת האתגרים של ייצור מעשי.הסעיפים הבאים לחקור את השיטות המשמשות ליצירת nanostructures פולימר, המנגנונים שבאמצעותם הם להשיג ביצועים מכניים משופרים, התכונות התפקודיות שהם פותחים, ואת היישומים בעולם האמיתי שמניעים את אימוץ שלהם.תשומת לב ניתנת גם מכשולים כי נשאר על הדרך למסחר נרחב, כמו גם את הכיוון של המחקר העתידי המרגש הוא לוקח.

שיטות לבניית מאובנים של Polymer Nanostructures

הביצועים של מבנה ננומרי פולימר תלויים בביקורתיות על האופן שבו הוא נעשה.טכניקות ייצור חייבות להשיג פיזור אחיד של ננופלרים, אוריינטציה שליטה, ולהבטיח חיבור בין-גזעי חזק. מגוון של גישות פותחו, כל אחד מתאים לשילובים חומריים שונים וקשקשים ייצור.

אלקטרוסנסט עבור ייצור ננופיבר מתמשך

אלקטרוסימנטל נשאר אחד השיטות הנפוצות ביותר לייצור ננופיבר פולימר עם קוטרים החל מעשרות עד מאות פגזים ייצור באופן משמעותי של מערכות אלקטרו-חומריות, שדה חשמלי מתח גבוה שואב פתרון פולימר או נמס מספיד ספיננר, ויצר מטוס כי מתחים ומוליכים חזקים לתוך סיבים הנדסיים שנאספו על בסיס מטרה מבוססת.

עצמי-Assembly ו- In-Situ Polymerization

הערכה עצמית מנצלת את הנטייה הטבעית של בלוק copolymers או מולקולות אמפיפיליות להתארגן לתוך תחומים ננומטריים. גישה זו מתחתית מניב מבנים מסודרים מאוד כגון תחומים, גלילים, אוlamellae עם מחזוריות מדויקת.כוח הנהיגה הוא צמצום של אנרגיה בין בלוקים פולימריים לא מתאימים, ואת מורפולוגיה יכול להיות מכוון על ידי התאמה של חומרים מכניים חיוניים, במיוחד עבור צינורות עצמיים, תכונות תכונות איכות.

ב-Situ פולימיזציה מציעה אסטרטגיה משלימה על ידי סינתזת הממטריקס פולימרי ישירות בנוכחות ננופלרים. שיטה זו מקדמת פיזור טוב יותר וחיבור כימי כי רשתות פולימר גדל רטובות ומקיפים כל חלקיקים לפני הדבקה יכול להתרחש. לדוגמה, אופטימיזציה פולימרית לתוך נוכחות של צינורות אורגניים מטבוליים מייצרת ננופילטים עם מגוון מתאים או מנפחים של שיטות מתקדמות.

ארכיון תגיות: Layer-by-Layer Assembly

סינתזה מבוססת תבנית משתמשת ⁇ membranes או מסגרות מקודשות כדי להנחות את היווצרות של ננו-בוטיקים פולימרים, ננודדים, או ננווטים.התבנית מלאה בפולימרים באמצעות התכה, פתרון ליהוק, או אלקטרודה, ולאחר מכן להסיר באופןסלקטיבי לעזוב את המבנה הרצוי.

שכבת-על-ידי-שכבה (LbL) היא טכניקה תכליתית לבניית סרטים דקים עם פיקוח עובי nanometer על ידי להפקיד באופן חלופי מולטי פוליאלקטרוניקה טעונים.כל צעד של פוזיציה מוסיף שכבה מולקולרית אחת, והתהליך יכול לשלב חלקיקים, אנזים, או סמים לתוך המבנה של LbL משמשים נרחב עבור ציפויים רב-תפקוד עם תכונות כגון אנטי-קורט, דלקת עצמית, אם כי הם איטיים של מערכת פיתוח עצמי.

שיטות מתפתחות: 3D ננודור ומיקרו-השפעה

פולימריזציה דו-פוטנית מאפשרת הדפסה תלת-ממדית ישירה של ננוורות פולימרי עם גדלים תכונה מתחת 100 nm. טכניקה זו משתמשת לייזר של העובר השני כדי ליזום פולימריזציה ב voxel מדויק, המאפשר יצירת ארכיטקטורות מורכבות כגון גבישים פוטוניים, מיקרו-ליטרטי, ומטא-חומרים. בעוד מהירות הכתיבה כיום איטית מדי לייצור המוני, היא בלתי-סבירה עבור עיצוב פרוטומטריד ונדרשת עבור מכשירים מורכבים.

סינתזת מיקרו-השפעה מספקת מסלול זרימה רציף חלקיקים פולימריים עם התפלגות גודל צר.על ידי ערבוב של מבשרים בערוצי מיקרו-scale, החוקרים יכולים לשלוט בניקוי וצמיחה כדי לייצר חלקיקים אחידים עבור משלוח סמים או הדמיה אבחון. פלטפורמות מיקרופלודיקלית גם להקל על שילוב של שלבים מרובים - סינזה, טיהור, ותפקוד - בתהליך יחיד, אוטומטי כדי לקטוע את האזור הפעיל של הנדסה תעשייתית.

ללא קשר לתוואי ההמצאה, מודלים חישוביים ממלא תפקיד חשוב יותר בשלב העיצוב.דמיות דינמיקה מולקולרית ואלגוריתמי למידת מכונה לעזור לחזות את השילוב האופטימלי של סוג מלא, טעינה, תנאי עיבוד, צמצום הצורך בניסויים ניסיוניים וטרור.המטרה היא להשיג פיזור הומוגני בתכנים נמוכים, למקסם את הרווחים תוך צמצום עלויות ועונשי משקל.

כיצד ננו-מבנה משפר ביצועים מכניים

התכונות המכאניות של nano פולימרים מבנים נובעות ממספר מנגנוני חיזוק הפועלים ב nanoscale.הבנת מנגנונים אלה חיונית לתכנון חומרים העומדים בדרישות מבניות תובעניות ללא הקרבת יכולת תהליך או דיקטטורה.

רגישות וכוח באמצעות העברה של מטען

כאשר חלקיקים קשיחים הם מדבקים היטב במריצה פולימר, הם פועלים כמגורים מתח כי להעביר עומס מן המריצה המקבילה לממלא נוקשה.יחס הפן הגבוה של ננופיבר וננוtubes מספק אזור גדול בין-גזעי עבור העברת מתח חרישית.אפילו על ידי עלייה חדה מתחת ל-5% על ידי משקל, שיפורים בעשרות חלקיקים של 50 ל-100% הם נפוצים, רק כדי להגדיל את ה- 0.5 גרם של photchton דומה.

שיפורים חזקים תלויים ביקורתיות על איכות הממשק.קשר בין-גזעי חזק, מושג באמצעות סוכנים הפיכה כימית או שילוב מכני, מבטיח כי הממלאים נושאים חלק משמעותי של הלחץ המיושם. ממשקי Weak מובילים לדהור וכשל מוקדם. אסטרטגיות טעינה משטח - כגון שיבוש רשתות פולימריות מספיק על פני השטח ננו-חלקיקים - לכן מוקד מרכזי של מחקר nanoakposite.

« « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « «

אחד ההישגים הבולטים ביותר של ננו-נוורות פולימר הוא היכולת שלהם לשפר את הקשידות ולא לגרד את החומר.ממלאים מסורתיים של מיקרון-קלונים לעתים קרובות ליצור ריכוזי מתח גדולים המתיזוםים סדקים, צמצום הקשידות. בניגוד, nanostructures מעוצבים כראוי יכולים להגדיל את הקשידות על ידי גורמים של שני או שלושה. ננו- חלקיקים פועלים כמו סדקים: כאשר מפיץ מפגשים קשים, חייב לספוג חלקיק אנרגיה נוסף, או לספוג, או לנפח של אנרגיה נוסף, או פיזור, או פיזור פני השטח, כמו פיזור, כמו ריבועים אחרים.

מפענח קר הוא יעיל במיוחד עבור ממלאי ספקטרום גבוה כמו צינורות פחמן או חלקיקים צלולוז ננוקריסטלים. אלה ממלאים את פני הסדקים, נושאים עומס על הפער ומתנגדים לפתיחה נוספת.הסגת הממלאים של נוקשות מטריצה, בעוד שמנעו אנרגיה נוספת באמצעות חיכוך, פירוק מערכות פלסטיק, עיוותים בלתי אפשרי, מאפשר שילוב של חלקיקים קשים, ו-מדומים, אשר הצליחו להשיג חוזקות גבוהה.

ללבוש, גרדגן, ו Fatigue Resistance

עבור ציפויים מגן, קשיחות והתנגדות שריטות הם רב-חשיבות. Silica או alumina ננו-חלקיקים מפוזרים בציפוי ברור יכול להעלות קשיחות שריטות על ידי מספר פעמים ללא הקרבת שקיפות, בתנאי שהחלקיקים קטנים יותר מהאורך הגל של אור גלוי. ציפויים אלה הם עכשיו סטנדרטיים בלחמניאקציה של מכוניות ומכשירים אלקטרוניים.

ביצועי עייפות הם קריטיים עבור רכיבים מבניים הנמצאים בעומס מחזורי.נו פולימרים מבנים בדרך כלל מציגים חיי עייפות משופרים בהשוואה לעמיתיהם שאינם מחוסנים.המנגנונים כוללים סדקים על ידי חלקיקים, אשר מאטים את הפחתת חיי הסדקים; סדק המפחית את עוצמת הלחץ האפקטיבית בטיפ הסדקים; ודיכוי של עיוות פלסטיק בקנה מידה גדול שמוביל לפצח.

תכונות פונקציונליות מעבר לתפקוד מכני

nanostructures פולימר אינם מוגבלים יישומים מבניים.אותן תכונות ננומטריות שמשפרות תכונות מכניות גם מאפשרות מגוון רחב של התנהגויות פונקציונליות, מה שהופך את החומרים האלה באמת רב-תפקודיים.

יעילות חשמל עבור אלקטרוניקה גמישה

שילוב ננוטיפים מוליכים כגון צינורות פחמן, גרפן, או ננווט כסף לתוך בידוד פולימרים יוצר חומרים המשלבים מוליכות חשמלית עם גמישות מכנית.ב ריכוז ממלא קריטי - סף ההנצחה - טופסי רשת התנהגותיים, המאפשרים את התפקוד העצום כדי להתאים את התפקוד כמנצח גמיש או אלקטרודה.חומרים אלה משמשים באלקטרוניקה, חיישניים לבישים, והפרעות אלקטרומגנטיות (EM) שאינם מתאימים לתאים גמישים.

ניהול ויציבות

פולימרים הם בדרך כלל אינסטלטורים תרמיים, אבל ננופלרים עם מוליכות תרמית גבוהה - כגון בורון nitride ננוגליונות, גרפן, או צינורות פחמן - יכול להעלות את קוגניציה תרמי על ידי פקודות של גודל. אלה הם גם רכיבים ממשק תרמיים באלקטרוניקה כדי לנתק חום ביעילות.

התנהגות מגיבה

פולימרים ניתן להנדס ב nanoscale להגיב לגירויים חיצוניים כגון טמפרטורה, pH, אור או שדות חשמליים.לדוגמה, פולי(N-isopropylacrylamide) ננוגליל עוברים מעבר נפח חד ליד טמפרטורת הגוף, מה שהופך אותם שימושיים עבור שחרור סמים מבוקרת. שילוב חלקיקים מגנטיים לתוך מטבוליות פולימרבועות רוח מעוררות חום כי מחובר תחת שדה, המאפשרים טיפול תרופתי מופחתת חומרים נוגדי חמצון אלה.

תכונות אופטיות וגדריות

פולימרים ממובנים יכולים לתמרן אור בדרכים מדהימות.על ידי פיזור חלקיקים עם ניגוד אינדקס רב-פעמי, ציפויים אנטי-פרימיטיביים, אחסון נתונים הולוגרפי, וחומרי להקות פוטו-פרגפ הופכים אפשריים.נו-נוטרידיים סרטים פולימרים מורכבים מאות שכבות של שני פולימרים שונים להשיג ביצועים מחסומי גז יוצאי דופן - הרבה יותר גבוה מאריזות מרובות - דרך רכה לאפקטים אלקטרוניים איטיים עבור חומרי גלם חיוני כדי להרחיב את החיים נוגדי חמצון רגישים.

תיקון עצמי ותיקון אוטונומי

עצמי-healing ננו-מבנים פולימרים מייצגים גבול בחומרים חכמים.על ידי הטמעת מיקרו-capsules או רשתות פולשניות המכילות סוכני ריפוי בתוך ממטריקס פולימר מובנה, סדקים שניתן לתקן באופן אוטונומי.כאשר סדקים סדקים, הוא קרע את הקפסולות המשובצות, שחרור מונומר כי הוא מפיץ מגע עם זרז מבוזר במערכות הריפוי בקנה מידה 80%, כמו גם זרז חיוני של טיפול מכני של מחלות, לאחר שיפור משמעותי של תפקוד חומרים מכניים, לאחר שיפור משמעותי של תפקוד חומרים מכני של פעילות גופנית, לאחר זרזים של טיפול יעיל מכנית של תפקוד חומרים מכנית.

דרישות תעשייתיות לאימוץ נהיגה

ההתכנסות של תכונות מכניות משופרות ופונקציונליות מתקדמת הובילה את ננו-מבני פולימר ממעבדות מחקר למוצרים מסחריים על פני תעשיות מרובות.

כלי רכב ודלק

במטוסים וכלי רכב, כל קילוגרם הציל להפחית את צריכת הדלק ואת פליטות. nanostructured פחמן סיבים עמידים פחמן פולימרים (CFRPs) משופר עם צינורות פחמן או פלטות גרפן להשיג שיפורים כוח דחוס כי להפחית את הנטייה של CFRPs כדי delaminate. nanocellulose-reinforced צינורות נחקר עבור לוחות פנימיים, להחליף משקולות כבד יותר זכוכית משולבת של צינורות מתכת, 000 חומר נפץ, הוא כבר מורכב.

מכשירים ביו-רפואיים ומשלוחי סמים

nanostructures פולימר הם מרכזי מערכות משלוח תרופות מודרניות. pils ו nanogels יכול encapsulate תרופות הידרופוביות, לשפר solubility, ושחרור תשלומים בתגובה רמזים ביולוגיים ספציפיים כגון pH או פעילות אנזומטית. אלקטרוספגנופיבר משמשים גם חומרים ננופיבים עבור חידוש רקמות, להנחות תאים צמיחה ו degrading באופן לא מזיק ב-Creicicicic הגוף שלנו הם לפתח זיהומים חדשים.

אחסון אנרגיה וסגירה

טכנולוגיות תאי סוללה ודלק מסתמכות רבות על פולימרים ממובנים. Solid פולימרים אלקטרוליטים עם ננו חלקיקים קרמיקה מחוסנים להשיג מוליכות אקולוגית ליד זה של אלקטרוליטים נוזליים תוך דיכוי ליתיום דהנדטקס, שיפור הבטיחות והחיים המחזוריים. nanocomposites מוליכים חומרים ננוכיים ואספןים חשמליים בסוללות אחסון ליתיום, שיפור האנרגיה בדחיסות אורגנית, הם שיפור חיובי יותר ויותר לזיהומים של כלי רכב רעילים אלה.

הגנת הסביבה

מזכרות פולימר ננופיבר יעילים במיוחד עבור טיהור מים בשל גודל הנקבוביות הגבוהה שלהם טונה טונה ו טונהבל בגודלם. כאשר הם פונקציונליים עם חלקיקים קטליטיים, הם מסננים ומפחיתים אבקות אורגניות בו זמנית.ננוקלי-פוחיות משמשים גם כמסים במערכות המכילות מים, ומונעים מחוסנים גבוהים של צינורות אוויריים.

מוצרי אלקטרוניקה

תצוגות גמישות, חיישניות לביש, והמכשירים המתקפלים תלויים בנונודורי פולימרים עבור השילוב הייחודי שלהם של גמישות מכנית וביצועים פונקציונליים. nanocomposites מוליכים את אלקטרודות במסכים גמישים, בעוד ציפוי נוברייר מגן על אלקטרוניקה אורגנית רגישה מפני לחות וחמצן.האינטרנט הגדל של הדברים (IoT) דרישות סביבתיות הן קלות, עמידות ועלויות נמוכות - כי ננוריות הם מסוגלים להתאים באופן ייחודי ל-cooked כדי להתאים את האלקטרוניקה.

כתובת האתגרים של Scale ו-Stability

למרות ההתקדמות המדהימה, אימוץ מסחרי של ננו-נופינים פולימרים ניצב בפני כמה מכשולים הדורשים מאמצים מתואמתים על פני חומרים מדע, ייצור ותקנה.

ביקורת והזדקנות

אותה אנרגיה על פני השטח גבוהה שנותנת חלקיקים את התכונות שלהם יתרון גם גורם להם נטייה לזיהום. פיזור מסכן פיזור פיזור חיזוק ויוצרת אתרי פגם כי פשרה הן ביצועים מכניים פונקציונליים. Surfacefunctionization - איכות שווה או לא שווה של קבוצות כימיות על פני השטח של פיזור - היא האסטרטגיה העיקרית למנוע clumping ולשפר תאימות עם matrix עם, זה לעתים קרובות דורש אופטימיזציה של תהליכים מרובים ו-Facting כי יש שיפור של עיבוד.

סקלאלה וייצור קונסיסטנסיות

סינתזה nanomaterial ועיבוד מורכב מן המעבדה ל כרכים תעשייתיים הוא אתגר מתמשך. שיטות רבות מתחתיות - עצמו-assembly, שכבת-על-ידי-שכבות deposition - הם תהליכים חד-משמעיים שלא מתורגמים בקלות לייצור מתמשך.אפילו טכניקות מבוססות כמו אלקטרוספינינג פנים באמצעות מגבלות.

יציבות ויציבות לטווח ארוך

ננופלר יכול להישמר או לעבור שינויים כימיים לאורך זמן, במיוחד תחת רכיבה תרמית, חשיפה UV או עייפות מכנית. Oxidation של צינורות פחמן, הידרוליזה של ננופלרים ביולוגיים, או הרפיה מורפולוגית של מבנים מוצצים עצמית יכול גם להרוס תכונות.

בריאות ודאגות סביבתיות

כמו עם ננו-טכנולוגיה רבים, הרעילות הפוטנציאלית של ננו-פלילרים מסוימים - במיוחד גבוהה-aspect-ratio פחמן ננו-tubes - מעלה שאלות בריאות סביבתיות ותעסוקה של איגוד האירופי ומסגרות גלובליות אחרות דורשות יותר ויותר הערכות מחזור חיים ואסטרטגיות הגנה מפני חומרים ננו-חומריים, הן בדרך לפתח בטוח לחלוטין, bio-divedfildfils כגון ניטור חומרים ננו-מסוגים.

כיוונים עתידיים: לעבר חומרים הסתגלותיים ו Sustainable Sustainable Materials

העשור הבא מבטיח לספק nanostructures פולימר שאינם רק רב פונקציונליים אלא גם קשובים, אינטליגנטיים, ובר קיימא.כמה מגמות מתעוררות מעצבות יעצבו את האבולוציה הזו.

(ביו השראה עיצובים המחקה מבנים היררכיים טבעיים - כגון nacre, עצם או משי עכביש - offer תבנית להשגת קשיחות חסרת תקדים וכוח תוך שמירה על צפיפות נמוכה.עיצובים אלה משתמשים בלוקים בניין nanoscale מסודרים בדפוסים ספציפיים כדי להשיג תכונות כי מעל אלה של רכיבים בודדים שלהם.מכונה ואינטליגנציה מלאכותית משמשים יותר ויותר לחזות ניסוחים אופטימליים ותהליכים עיבוד, מאיץ את מעגל הגילויים במהירות של מנועים של תאים גמישים.

(FLT:0) באופן זמני, אנו עשויים לראות את השילוב החלקי של חישה, הפעלה, וקצירת אנרגיה בתוך אותו רכיב פולימרי ממונו בנוי, מטושטש את הקו בין חומר למכשיר. אבחון עצמי מבנים לפקח על בריאותם, חומרים מתאימים שמשנים צורה של שינוי סביבתי, ואלקטרוניקה ביו-מדרגתית כי לאחר השימוש הם בהישגים מהירים יותר, ומאובטחים יותר, אשר עומדים על פני כל אחד של חומרים מתקדמים יותר, אשר עומדים מאחורי הקלעים פשוטים, אשר עומדים על פני מערכות הנדסיות, כמעט, אשר ממשיכים להיות יותר מתוחכמות יותר, וחדשניים, וחדשניים, כמעט, וחדשניים, אשר עומדים בפני כל ביצועים קלים יותר, אשר עומדים על פני מערכות מורכבות יותר, אשר עומדים על פני החידושים המהירים, וחדשניים, וחדשניים, וחדשניים, וחדשניים, כמעט, כמעט, אשר עומדים על פני מערכות מורכבות יותר, אשר עומדים בפני איכות-מחדשניים, כמעט, כמעט, כמעט, כמעט, אשר עומדים בפני התפתחותיים, ואלקטרוניקה רב-ידי שיטות מתקדמות יותר, כמעט, כמעט, כמעט, כמעט, כמעט, ואלקטרוניקה רב-ידי שיטות מתקדמות יותר, אשר עומדים בפני ביצועים קלים יותר, אשר עומדים בפני מערכות מורכבות יותר, אשר עומדים על-ידי שיטות מתקדמות