研究人員已經(jīng)開發(fā)并展示了一種高效且可擴展的技術(shù)，使他們能夠制造十幾種不同結(jié)構(gòu)或“形態(tài)”的軟聚合物材料，從帶狀和納米級薄片到棒狀和支鏈顆粒。該技術(shù)允許用戶在微米和納米尺度上微調(diào)材料的形態(tài)。論文“具有不同形態(tài)的聚合物軟物質(zhì)的流體流動模板”發(fā)表在《先進材料》雜志上。

“這一進步很重要，因為該技術(shù)可以與各種聚合物和生物聚合物一起使用。由于這些聚合物微納米結(jié)構(gòu)的形態(tài)對其應用至關(guān)重要，因此它使我們能夠通過簡單地控制結(jié)構(gòu)而不是聚合物化學來獲得新的聚合物功能，“該論文的通訊作者，北卡羅來納州立大學化學和生物分子工程的S. Frank和Doris Culberson杰出教授Orlin Velev說。

“例如，納米片可用于設計更好的電池，而樹枝狀膠體 - 具有異常高表面積的聚合物纖維的分支網(wǎng)絡 - 可用于環(huán)境修復技術(shù)或創(chuàng)造新型輕質(zhì)超材料。

從根本上說，所有不同的形態(tài)都是使用一種眾所周知的稱為聚合物沉淀的過程生產(chǎn)的。在此過程中，聚合物溶解到溶劑中，產(chǎn)生聚合物溶液。然后將該聚合物溶液引入第二種液體中，使聚合物以軟物質(zhì)的形式重新組合在一起。

這里的新之處在于，研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了如何在制造過程中通過操縱三組參數(shù)來精確控制所得聚合物軟物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。

第一組參數(shù)是剪切速率，它是指當兩種液體混合在一起時液體攪拌的速度。第二組參數(shù)是聚合物溶液中聚合物的濃度。最后一組參數(shù)是聚合物最初溶解的溶劑的組成，以及添加聚合物溶液的液體的組成。

“我們確定了影響聚合物材料最終形態(tài)的關(guān)鍵參數(shù)，這反過來又給了我們很大的控制和多功能性，”該論文的第一作者，最近從北卡羅來納州立大學畢業(yè)的博士Rachel Bang說。“因為我們現(xiàn)在了解了這些因素中的每一個的作用以及它們?nèi)绾蜗嗷ビ绊懀覀兛梢灾貜偷匚⒄{(diào)聚合物顆粒形態(tài)。

“盡管我們已經(jīng)展示了如何產(chǎn)生十幾種不同的形態(tài)，但我們?nèi)蕴幱谔剿魉锌赡艿慕Y(jié)果和應用的早期階段，”Velev說。

研究人員已經(jīng)證明，樹突膠體可用于制造用于生長活細胞的膜，或用于制造疏水或親水涂層。研究人員還與合作者合作，證明納米片有可能用作鋰離子電池中更有效的隔膜。

“該技術(shù)還可以與各種天然生物聚合物一起使用，例如植物蛋白，并且可用于支持各種應用，例如植物性肉類類似物的開發(fā)，這需要精確控制多個長度尺度的蛋白質(zhì)顆粒形態(tài)，”共同作者，新加坡理工學院和荷蘭瓦赫寧根大學的Simeon Stoyanov教授補充道。“此外，由于我們的技術(shù)基于使用傳統(tǒng)混合器混合液體，因此可以輕松擴大規(guī)模以進行實際制造。

“我們目前正在與食品科學研究人員合作，以確定如何使用蛋白質(zhì)微棒來控制某些食品的質(zhì)地，”Velev說。“我們還與合作者合作，探索我們的技術(shù)如何用于生產(chǎn)用于可生物降解軟電子產(chǎn)品的生物聚合物基材料。

“我們愿意與其他合作者合作，探索聚合物和生物聚合物在所有這些形態(tài)中的潛在應用。

北卡羅來納州立大學已經(jīng)頒發(fā)或正在申請關(guān)于微棒、納米纖維、樹枝狀膠體的剪切制造及其在電化學能源中的應用的專利。