Представьте, что вам поручили испечь суфле, но есть только список ингредиентов без указания их количества или температуры. Вероятно, потребуется огромное количество времени, усилий и ингредиентов, чтобы испечь идеальное суфле. Придётся методом проб и ошибок подбирать пропорции ингредиентов, изменять температуру и время выпекания. Но что, если у вас есть модель, которая может предсказать конечный продукт ещё до того, как вы смешаете все ингредиенты? Это не только сэкономит время и ресурсы, но и предоставит полезные сведения о том, почему и как суфле поднималось и опадало, или почему текстура получилась не такой, как вы ожидали.
Исследователи из Института перспективных научных исследований им. Бекмана разработали компьютерную модель, которая изучает химический «рецепт» производства полимеров, чтобы обеспечить прогнозируемый контроль над тем, как материалы самоорганизуются, создавая новые текстуры и свойства.
«Это означает, что производители могут проектировать и моделировать материалы со встроенными узорами — повышая прочность, снижая вес или наделяя новыми функциями — ещё до смешивания химикатов в лаборатории», — сказал Джеффри Мур, заслуженный профессор кафедры химии Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн.
Междисциплинарная команда под руководством Филиппа Геббеля, исполнительного заместителя декана Инженерного колледжа Грейнджера и профессора кафедры аэрокосмической инженерии, разработала интегрированную вычислительную и экспериментальную систему, чтобы понять и вызвать формирование узоров в синтетически полимеризованных материалах.
Фронтальная полимеризация — это метод быстрого преобразования мономерных субъединиц в полимерные комплексы путём распространения локализованной реакционной волны. Полимерные материалы включают пластик, резину или смолы. Мур сравнивает этот процесс со штормовым фронтом, а разработанную ими прогностическую модель — с метеорологическими прогнозами, описывающими ожидаемый путь шторма.
Жидкой смеси химических веществ при нагревании придают твёрдую форму — реакция распространяется, как погодный фронт. Эта техника представляет собой химическую систему, сочетающую в себе тесно связанные между собой реакции и явления переноса.
Команда определила фронтальную полимеризацию с раскрытием кольца (FROMP) как новый метод создания настраиваемых материалов с разнообразными формами и функциями с помощью реактивной обработки.
«Фронтальная полимеризация может быть использована для создания полимерных материалов, а при определённых условиях — материалов с периодическим рисунком, аналогичным высокоэффективным материалам, встречающимся в природе», — сказала Анна Крамблитт.
В отличие от других методов синтетического производства, фронтальная полимеризация позволяет создавать материалы с заданными свойствами без необходимости многоэтапных процессов, требующих ручного управления.
Узоры повсеместно встречаются в природе: песчаные дюны, деревья и кровеносные сосуды, которые используют фрактальное ветвление для оптимизации распределения питательных веществ и кислорода, или спиральные узоры, встречающиеся в ДНК, морских раковинах и ураганах. Эти конструкции возникают в результате взаимодействия более мелких компонентов без какого-либо централизованного контроля.
Многие эмерджентные узоры связаны с определёнными функциями. Например, отметины на зебре способствуют терморегуляции и маскировке. Чередующиеся области жёсткого и гибкого материала на крыльях стрекозы способствуют созданию сильных, но податливых крыльев, которые позволяют выполнять сложные воздушные манёвры.
Вдохновлённая различными эмерджентными поведениями в биологических системах, исследовательская группа разработала интегрированную вычислительную и экспериментальную систему, чтобы понять и вызвать формирование узоров в синтетически полимеризованных материалах.
«Подобно балансировке гирь на весах, мы демонстрируем, как небольшие сдвиги в химическом равновесии могут нарушить баланс между кинетикой реакции и переносом тепла, чтобы стимулировать формирование узора. В каком-то смысле мы обнаружили рецепт приготовления узорчатых материалов», — сказал Бистри.
FROMP позволяет точно контролировать ключевые этапы реакции полимеризации, включая ингибирование, инициирование и распространение. Исследуя химию на каждом этапе, исследователи обнаружили, что динамика, близкая к равновесию, в сочетании с кинетикой, далёкой от равновесия, стимулирует формирование узоров в синтетически полимеризованных материалах.
Команда определила особое химическое равновесие, которое «контролирует» формирование узора во время полимеризации. В этом случае исследователи использовали химию и термодинамику в системах FROMP для управления экзотермическими, самоподдерживающимися реакциями.
Баланс между выделением тепла, кинетикой реакции и тепловым транспортом приводит к тому, что реакционный фронт распространяется равномерно, создавая однородный материал. Когда химический или тепловой состав изменяется, равновесие нарушается, что приводит к неравномерному распространению фронта, изменяющему микро- и макроструктуру материала в процессе полимеризации.
Например, вместо производства материала с равномерной жёсткостью можно изготовить материал с чередующимися полосами жёсткого и мягкого полимерного материала.
Исследователи интегрировали компьютерное моделирование, чтобы создать механизм, основанный на модели FROMP, основанный на принципах кинетики реакций, чтобы понять химические истоки эмерджентного поведения в синтетически полимеризованных материалах.
Таким образом, модель команды предсказывает, как изменения в рецепте и температуре выпекания повлияют на конечный продукт ещё до того, как ингредиенты коснутся миски для смешивания.
«Я в восторге от свободы проектирования, которую обеспечивает наше улучшенное понимание системы. Я думаю, это откроет двери для множества новых экспериментов. Я с нетерпением жду создания узоров в материалах с широким спектром свойств и характеристики их поведения», — сказала Крамблитт.
Команда надеется использовать свои выводы для создания материалов с заданными свойствами, имитирующих природные материалы, чтобы достичь более высокой прочности.
Сотрудничая с исследователями Массачусетского технологического института Рафаэлем Гомесом-Бомбарелли и Лорен Чуа, которые хорошо разбираются в моделировании с использованием теории функционала плотности, Геббель надеется объединить их моделирование с недавно разработанным моделированием явлений FROMP для изготовления узоров из различных материалов, открывая широкое пространство для проектирования с целью оптимизации свойств.