Ben-Gurion Universiteit van de Negev: wetenschappers ontwikkelen lichtgevoelig plastic voor veiligere productieprocessen

Nir Lemcoff lid van het onderzoekteam naar een nieuwe klasse van latente monomeren. Foto Ben-Gurion Universiteit van de Negev

Onderzoekers van de Ben-Gurion Universiteit van de Negev hebben een 'slim', plasticachtig materiaal ontwikkeld dat vloeibaar blijft totdat het wordt geactiveerd door licht of lichte warmte. Dit maakt veiligere en efficiëntere productie, printen en reparaties mogelijk. meldt Ben-Gurion Universiteit van de Negev.

De ontdekking, die vorige maand werd gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Chemistry , introduceert een nieuwe klasse van latente monomeren: stabiele vloeibare bouwstenen die wekenlang inactief blijven en pas stollen wanneer ze worden geactiveerd. Deze materialen zouden industriële uithardingsprocessen kunnen vereenvoudigen, de flexibiliteit van 3D-printen kunnen vergroten en afval kunnen verminderen.

"Dit werk laat een nieuwe manier van denken zien over een algemeen probleem in de polymeerwetenschap en zal hopelijk wetenschappers in het veld inspireren om de uitdagingen in hun eigen werk vanuit een nieuw perspectief te bekijken," aldus promovendus Nir Lemcoff, een van de hoofdauteurs.

Tot de overige onderzoekers die aan het project hebben meegewerkt behoren Ronny Niv van de groep van prof. N. Gabriel Lemcoff, Keren Iudanov van het Lemcoff-lab, en Gil Gordon, Aritra Biswas, Uri Ben-Nun en Ofir Shelonchik van het Weizmann-lab.

In plaats van een complexe, inactieve katalysator te ontwerpen – een aanpak die decennialang gangbaar was in de industrie – heeft het team van Ben-Gurion het aan/uit-mechanisme ingebouwd in de bouwstenen van het plastic. Deze innovatie maakt kwetsbare of dure katalysatorsystemen overbodig.

De nieuwe vloeistoffen bevatten drie belangrijke ingrediënten: bouwstenen die aan elkaar kunnen worden gekoppeld tot lange, plasticachtige ketens; een standaard industriële katalysator die de ketenvormende reactie aandrijft; en minuscule gouden nanodeeltjes die als microscopische verwarmingselementen fungeren wanneer ze worden belicht met nabij-infrarood licht.

Deze latente monomeren zijn opgebouwd uit kleine moleculen genaamd norbornadieen, die geopend en aan elkaar gekoppeld kunnen worden tot lange ketens door middel van een standaard plasticproductiemethode genaamd ROMP (ringopeningsmetathesepolymerisatie).

Wanneer ze aan UV-licht worden blootgesteld, veranderen ze in een andere vorm, quadricyclaan genaamd. Dit is in feite de "slapende" toestand: het is inactief en vormt geen ketens. Later, door zachte verhitting met minuscule gouden nanodeeltjes, wordt quadricyclaan weer actief en vormt het reactieve norbornadieen, waardoor de ketenvorming op aanvraag opnieuw kan beginnen.

Omdat er pas iets gebeurt als de trigger wordt geactiveerd, zouden fabrikanten in principe een gebruiksklare vloeibare formule wekenlang kunnen opslaan en verzenden zonder dat deze dikker of harder wordt; eerst onderdelen vullen, coaten of bedrukken, en pas daarna het uithardingsproces in geselecteerde gebieden inschakelen met behulp van lichtpatronen of maskers; en afval en energieverbruik verminderen door te voorkomen dat er constant nieuwe batches gemengd hoeven te worden of dat hele volumes gedurende lange perioden verwarmd hoeven te worden.

De studie toont ook aan dat dit idee van schakelbare bouwstenen veel meer kan dan alleen een reactie aan- en uitzetten. Door bouwstenen die vanaf het begin actief zijn te combineren met andere die inactief blijven tot ze verhit worden, kan het team kunststoffen maken waarvan de ketens uit twee verschillende delen bestaan. Dit levert materialen op met gecombineerde eigenschappen in één product.

Ze kunnen eerst een zacht materiaal creëren dat gemakkelijk te vormen is en het vervolgens in één proces uitharden tot een taaier, duurzamer vast materiaal.

"In plaats van een 'slapende' katalysator hebben we 'slapende' bouwstenen van het materiaal zelf gecreëerd," legde professor Yossi Weizmann van de afdeling Scheikunde aan de Ben-Gurion Universiteit, die het onderzoek leidde, uit.

“Het mengsel kan wekenlang onopgemerkt in de kast staan ​​en stolt pas als je er licht op schijnt of het verwarmt. Dit soort uitharding op aanvraag, aangedreven door licht, zou industriële productie-, druk- en reparatieprocessen veiliger, eenvoudiger en energiezuiniger kunnen maken.”