Los investigadores han desarrollado y demostrado una técnica eficiente y escalable que les permite fabricar materiales poliméricos blandos en una docena de estructuras diferentes, o « morfologías », desde cintas y láminas a nanoescala hasta varillas y partículas ramificadas. La técnica permite a los usuarios ajustar con precisión la morfología de los materiales a escala micro y nano.

« Este avance es importante porque la técnica se puede utilizar con una amplia variedad de polímeros y biopolímeros. Dado que la morfología de estas micro y nanoestructuras poliméricas es crítica para sus aplicaciones, nos permite obtener nuevas funcionalidades poliméricas simplemente controlando la estructura en lugar de química de polímeros », dice Orlin Velev, autor correspondiente del artículo y Profesor Distinguido S. Frank y Doris Culberson de Ingeniería Química y Biomolecular en la Universidad Estatal de Carolina del Norte. « Por ejemplo, las nanoláminas se pueden usar para diseñar mejores baterías, mientras que los dendricoloideos (redes ramificadas de fibras poliméricas que tienen un área de superficie excepcionalmente alta) se pueden usar en tecnologías de remediación ambiental o en la creación de nuevos metamateriales livianos ».

Fundamentalmente, todas las diferentes morfologías se producen utilizando un proceso bien conocido llamado precipitación de polímeros. En este proceso, un polímero se disuelve en un solvente, produciendo una solución de polímero. Esa solución de polímero luego se introduce en un segundo líquido, lo que hace que el polímero se vuelva a juntar como una materia blanda.

Lo nuevo aquí es que los investigadores han descubierto cómo controlar con precisión la estructura de la materia blanda polimérica resultante mediante la manipulación de tres conjuntos de parámetros durante el proceso de fabricación.

El primer conjunto de parámetros es la velocidad de corte, que se refiere a la rapidez con la que se agitan los líquidos cuando se mezclan los dos líquidos. El segundo conjunto de parámetros es la concentración del polímero en la solución de polímero. El último conjunto de parámetros es la composición del disolvente en el que se disolvió inicialmente el polímero, así como la composición del líquido al que se añade la solución de polímero.

« Identificamos los parámetros críticos que afectan la morfología final de los materiales poliméricos, lo que a su vez nos brinda un gran control y versatilidad », dice Rachel Bang, primera autora del artículo y recientemente doctorada. Graduado de NC State. « Debido a que ahora entendemos el papel de cada uno de estos factores y cómo se influyen entre sí, podemos ajustar de manera reproducible la morfología de las partículas poliméricas ».

« Aunque hemos demostrado cómo producir una docena de morfologías diferentes, todavía estamos en las primeras etapas de exploración de todos los posibles resultados y aplicaciones », dice Velev.

Los investigadores ya han demostrado que los dendricoloideos se pueden utilizar para fabricar membranas para el crecimiento de células vivas o para crear revestimientos hidrofóbicos o hidrofílicos. Los investigadores también han trabajado con colaboradores para demostrar que las nanoláminas tienen potencial para usarse como separadores más eficientes en baterías de iones de litio.

« La técnica también se puede usar con una variedad de biopolímeros naturales, como las proteínas vegetales, y podría usarse para respaldar una variedad de aplicaciones, como el desarrollo de análogos de carne de origen vegetal, que requiere un control preciso de las morfologías de las partículas de proteínas. en múltiples escalas de longitud », agrega el coautor Prof. Simeon Stoyanov del Instituto de Tecnología de Singapur y la Universidad de Wageningen en los Países Bajos. « Además, debido a que nuestra técnica se basa en mezclar líquidos usando mezcladores convencionales, se puede escalar fácilmente para la fabricación práctica ».

« Actualmente estamos trabajando con investigadores de la ciencia de los alimentos para determinar cómo se podrían usar microvarillas de proteínas para controlar la textura de algunos productos alimenticios », dice Velev. « Y también estamos trabajando con colaboradores para explorar cómo se puede utilizar nuestra técnica para producir materiales a base de biopolímeros para su uso en electrónica blanda biodegradable.

« Estamos abiertos a trabajar con colaboradores adicionales para explorar aplicaciones potenciales para los polímeros y biopolímeros en todas estas morfologías ».

NC State ha emitido o está pendiente de patentes sobre la fabricación por cizallamiento de microrods, nanofibras, dendricoloides y su aplicación en fuentes de energía electroquímica.

Este trabajo se realizó con el apoyo del Programa de Nanofabricación de la Fundación Nacional de Ciencias, bajo la subvención CMMI-1825476. El trabajo recibió apoyo adicional de la NSF en virtud de las subvenciones EFMA-2029327 y CMMI-2134664.