Наука, лежащая в основе их производства, очень похожа на управление газоном на поле для гольфа. Но в течение многих лет это делалось по одному лезвию — или щетине — за раз, или путем разбрызгивания семян в надежде на лучшее. Ученые-материаловеды из Университета Дрекселя выдвинули новую идею — они могут делать кисти лучше, раскатывая их, как дерн.
До недавнего времени полимерные щетки производились двумя основными способами.
Один из них, называемый «прививка», подобен рассыпанию семян в почву и ожиданию, пока трава пустит корни. Другой, «прививочный», больше похож на пересадку отдельных травинок. В недавнем выпуске журнала Nature Communications Кристофер Ли, доктор философии, профессор инженерного колледжа Дрекселя, объясняет свой новый метод создания кисти, который дает ученым более высокую степень контроля над формой кисти и щетины и является гораздо более эффективным.
Подход Ли включает выращивание функционального двумерного листа кристаллов полимера — подобного наноразмерному куску двусторонней ленты. Когда лист приклеивается к существующей подложке и кристаллы растворяются, оставшиеся полимерные цепи всплывают, образуя щетинки кисти.
«Последние несколько десятилетий стали свидетелями захватывающих успехов в исследованиях полимерных щеток, и они показывают большие перспективы в различных областях, включая покрытие, биомедицину, зондирование, катализ и многие другие», — сказал Ли, чьи исследования в лаборатории мягких материалов Drexel сосредоточены на на материалах со сложными структурными и динамическими свойствами, например, на полимерных щетках. «Мы считаем, что наше открытие нового способа изготовления полимерных щеток является значительным достижением в этой области и позволит использовать кисти новыми захватывающими способами."
Полимерные щеточные материалы особенно полезны в ситуациях, когда детали должны плотно прилегать друг к другу, но при этом они должны иметь возможность двигаться без трения, бросая гаечный ключ в работе. Они также эффективны для защиты важных поверхностей от частиц, химикатов, белков и других загрязняющих веществ.
Полимерные щетки использовались для покрытия всего: от линз для очков, лодок и медицинских устройств — где они удерживают пятна, вредные химические вещества и микробы — до искусственных суставов и механических компонентов в транспортных средствах — где они действуют как смазка.
Относительная величина трения, которую можно уменьшить с помощью щеток, зависит от длины и жесткости полимеров и расстояния между ними. Метод Ли важен, потому что он может точно настроить все эти характеристики, потому что он может контролировать формирование двумерных кристаллических листов. В своей статье он сообщает о создании самых плотно упакованных полимерных кистей на сегодняшний день, с щетинками на расстоянии менее нанометра друг от друга.
«Эти двумерные монокристаллы с поверхностной функционализацией предоставляют уникальную возможность для синтеза четко определенных полимерных щеток», — сказал Ли. «Ключевым этапом в нашем методе является предварительная сборка полимеров в полимерные монокристаллы перед нанесением их на подложку."
Для группы Ли, которая является пионером исследований в области выращивания сферических кристаллов и твердых полимерных электролитов для накопления энергии, контроль образования кристаллизованных полимеров для такого применения является почти второй натурой.
Согласно статье, команда даже может создавать кристаллы полимера с точками крепления на обоих концах, чтобы они образовывали петлю, которая представляет собой гораздо более прочное образование щетинок, чем полимер с одним закреплением.
«Все это означает, что в один прекрасный день инженеры смогут создавать невероятно прочные полимерные щеточные покрытия, чтобы продлить срок службы всех видов соединений и муфт уникальной формы», — сказал Ли. "Это меняет наш взгляд на создание кистей, и я думаю, что это окажет долгосрочное влияние на эту область исследований."
