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研究人员已经开发并展示了一种高效且可扩展的技术，使他们能够以十几种不同的结构或“形态”制造软聚合物材料，从带状和纳米级薄片到棒状和分支颗粒。该技术允许用户在微观和纳米尺度上微调材料的形态。
“这一进展非常重要，因为该技术可用于各种聚合物和生物聚合物。由于这些聚合物微纳米结构的形态对它们的应用至关重要，它使我们能够通过简单地控制结构而不是聚合物化学来获得新的聚合物功能，”论文的通讯作者、北卡罗来纳州立大学化学和生物分子工程的S. Frank和Doris Culberson特约教授Orlin Velev说。“例如，纳米片可用于设计更好的电池，而树突胶质(具有极高表面积的聚合物纤维分支网络)可用于环境修复技术或新型轻质超材料的制造。”
从根本上说，所有不同的形貌都是使用一种称为聚合物沉淀的著名工艺生产的。在这个过程中，聚合物被溶解到溶剂中，产生聚合物溶液。然后，将聚合物溶液引入第二种液体中，使聚合物重新组合成软物质。
这里的创新之处在于，研究人员已经发现了如何通过在制造过程中操纵三组参数来精确控制所得到的聚合物软物质的结构。
第一组参数是剪切速率，它指的是两种液体混合在一起时，液体搅拌的速度有多快。第二组参数是聚合物溶液中聚合物的浓度。最后一组参数是聚合物最初溶解在溶剂中的成分，以及聚合物溶液添加到的液体的成分。
“我们确定了影响聚合物材料最终形态的关键参数，这反过来给了我们很大的控制和多功能性，”论文的第一作者、最近从北卡罗来纳州立大学毕业的博士Rachel Bang说。“因为我们现在了解了每个因素的作用，以及它们是如何相互影响的，我们可以重复地微调聚合物颗粒形态。”
Velev说:“尽管我们已经演示了如何产生十几种不同的形态，但我们仍处于探索所有可能的结果和应用的早期阶段。”
研究人员已经证明树突胶质可以用来制造生长活细胞的膜，或者制造疏水或亲水涂层。研究人员还与合作者合作，证明纳米片有潜力用于锂离子电池中更有效的隔膜。
新加坡理工学院和荷兰瓦赫宁根大学的共同作者Simeon Stoyanov教授补充说:“该技术也可以用于各种天然生物聚合物，如植物蛋白，并且它可以用于支持各种应用，如基于植物的肉类类似物的开发，这需要在多个长度尺度上精确控制蛋白质颗粒形态。”此外，由于我们的技术是基于使用传统的混合器混合液体，因此可以很容易地扩大规模，用于实际制造。”
“我们目前正在与食品科学研究人员合作，确定如何使用蛋白质微棒来控制一些食品的质地，”Velev说。“我们也在与合作者合作，探索如何将我们的技术用于生产生物聚合物材料，用于可生物降解的软电子产品。
“我们愿意与其他合作者合作，探索聚合物和生物聚合物在所有这些形态上的潜在应用。”
北卡州立大学已经发布或正在申请关于微棒、纳米纤维、树突胶质的剪切制造及其在电化学能源中的应用的专利。
这张纸。”不同形态高分子软物质的流体流动模板的文章发表在该杂志上先进材料．这篇论文也是由前北卡罗来纳州立大学博士生Sangchul Roh和Austin Williams共同撰写的。
这项工作是在国家科学基金会纳米制造计划的支持下完成的，资助CMMI-1825476。这项工作还获得了国家科学基金会EFMA-2029327和CMMI-2134664拨款的额外支持。
希普曼-
编者须知:研究摘要如下。
不同形态高分子软物质的流体流动模板
作者: Rachel S. Bang, Sangchul Roh, Austin H. Williams and Orlin D. Velev，北卡罗来纳州立大学;Simeon D. Stoyanov，新加坡理工学院
发表: 2月25日先进材料
DOI: 10.1002 / adma.202211438
文摘:找到一种传统的纳米制造技术是具有挑战性的，它可以持续地生产高表面积和纳米尺度形态的软聚合物物质，而且是可扩展的，通用的，易于调节的。在这里，我们探索了一种基于多相流流体流线模板聚合物沉淀的通用方法，用于制造各种纳米和微尺度形貌的能力。我们表明，虽然该过程操作简单，但其交织机制的各种组合可以控制地和可重复地导致形成非常广泛的胶体形态。通过系统地研究工艺条件，我们确定了12种不同类型的聚合物微纳米结构，包括颗粒、棒状、带状、纳米片和软树突胶体(树突胶体)。通过将物理过程划分为三个阶段来解释结果:水动力剪切、毛细和机械破碎以及聚合物沉淀速率。对底层基本机制的洞察指导我们开发一个多功能和可扩展的纳米制造平台。我们验证了基于液体剪切的技术是通用的，并且适用于许多化学性质不同的聚合物和生物聚合物，显示出作为许多形态不同的软物质类别的简单和可扩展的纳米制造的通用工具的潜力。
