2019-03-09 09:12:02
团队在合成大分子中发现双螺旋结构

科学学院和工程学院的研究人员发现,一种名为“PBDT”的高强度聚合物具有罕见的双螺旋结构,可用于各种应用。

最近在Nature Communications上发表的这一发现是聚合物离子凝胶开发的延伸,它有望超越传统的易燃液体电池电解质。现在,配备双螺旋结构的证据,这种高性能材料的潜力远远超出电池。

“这种聚合物已经存在了30年,没有人发现它是双螺旋,”领导这项研究的化学副教授Lou Madsen说。 “合成系统中的双螺旋基本上闻所未闻。”

Madsen领导了一项国际合作,其中包括弗吉尼亚理工大学教授Rui Qiao(机械工程)和Robert Moore(化学),以及北卡罗来纳大学Chapel Hill的Theo Dingemans和荷兰阿姆斯特丹大学的Bernd Ensing。弗吉尼亚理工大学的所有三位教授都隶属于大分子创新研究所。

刚性可以帮助新复合材料

复合材料是结合多个组件的工程材料,以创建一组新的改进属性。

轮胎和现代飞机机身是复合材料的例子。它们需要芯材料(例如轮胎实例中的橡胶)与其他材料(例如增强纤维填料)混合以增加强度。

Madsen和他的团队在2016年已经表明,PBDT可以与液体离子混合,形成固体电池电解质。

“在我们对这种双螺旋结果充满信心之前,我们发现PBDT可以与液体离子混合,使这种电解质具有非常好的导电性,同时也具有机械硬度,”Madsen说。 “我们用PBDT制作了一些东西,但我们想知道它为什么运作得那么好。我们有证据证明它是双螺旋结构,但却没有意识到它的大部分功能。”

双螺旋结构,例如DNA,在本质上是众所周知的,并且它们具有高弯曲刚度。 DNA的直径约为2.5纳米,长度约为50纳米,开始弯曲。这产生了大约20比1的“刚性比”,类似于胡萝卜条。

相比之下,PBDT的刚性比为1,000比1,使其成为迄今发现的最坚硬的分子之一。

聚合物的最高刚性意味着只需要一小部分就能达到与传统增强填料相当的性能。此外,创建它的过程非常便宜和简单。

“如果你在复合材料中使用传统的填充物,你可能会使用10%来获得你想要的属性,”Madsen说。 “但是PBDT具有很长的刚度长度和很小的直径。这意味着你可能只需要投入1%或2%来获得高度增强的材料。”

从X射线和DNA到计算建模

早在2014年,马德森和他的博士。学生Ying Wang认为聚合物是双螺旋,但没有坚固的证据。然后他们开始对PBDT进行X射线研究,类似于Rosalind Franklin在20世纪50年代早期对DNA进行的研究,这些研究导致了DNA双螺旋的发现。果然,PBDT X射线与富兰克林的DNA X射线相似。他们进一步使用类似于MRI的技术来支持他们的证据。

然后,Madsen转向荷兰的Ensing,然后转向弗吉尼亚理工大学的Qiao,帮助他们用计算模型来理解聚合物。

乔说他最初并不认为模拟会起作用。

“模拟一个自组装形成一个双螺旋结构 - 我从来没有听说过,除了人们为DNA做过它,”乔说。 “但是对于这种模拟来说,这非常困难。我的学生无论如何都试过了,奇迹般地工作了。我们尝试了一系列不同的条件,运行模拟的不同方式,但结果很稳健,这让我们有信心它是一个真正的双螺旋。“

双螺旋结构的确认为PBDT在电池电解质之外的潜在应用开辟了可能性,例如轻质航空航天材料。

“这种应用实际上将受到我们想象力的限制,”乔说。 “现在我们有了一种新型的乐高乐器。随着越来越多的人听到这种材料,他们会想出自己的使用方式。真正能够实现的是什么,我们今天可能无法想象。”

猜您喜欢的其它内容