小纳米粒子在聚合物材料中提供了显着的改善

在左侧描绘，小纳米颗粒粘附于聚合物链的区段，其与纳米颗粒本身大致相同的尺寸;这些相互作用产生了一种更容易加工的聚合物纳米复合材料，因为纳米粒子快速移动，快速使材料更少粘稠。在右侧，聚合物链粘附到较大的纳米粒子上的许多区段，使得纳米颗粒难以移动。其运动较慢的运动导致粘性材料更难以处理。

橡木岭国家实验室的新研究表明，混合纳米粒子和聚合物能够急剧改善聚合物材料的性质。

聚合物纳米复合材料用聚合物混合直径的粒子（纳米，NM），这些聚合物是长分子链。通常用于制备注塑产品，它们是常见的汽车，阻燃剂，包装材料，药物输送系统，医疗装置，涂料，粘合剂，传感器，膜和消费品。当由能源部的橡木岭国家实验室领导的团队试图验证纳米粒子尺寸的缩小会对聚合物纳米复合材料的机械性能产生不利影响，它们令人惊讶。

“我们发现小纳米颗粒的意外大量效果，”奥诺省世旺程说。伊利诺伊大学（伊利诺伊州）和田纳西大学伊利诺伊州伊利诺伊大学科学家团队和恩克斯维尔（UTK）报告了他们在ACS Nano期刊中的调查结果。

混合纳米颗粒和聚合物能够在聚合物材料的性质中进行显着改善。纳米粒子尺寸，空间组织和与聚合物链的相互作用对于确定复合材料的行为至关重要。理解这些效果将允许新型复合聚合物的改进设计，因为科学家可以调整机械，化学，电气，光学和热性能。

直到最近，科学家认为必须存在最佳的纳米粒子尺寸。减小尺寸仅为一点，因为最小的颗粒倾向于在低载荷和在高负载下塑化，其中两者都造成聚合物纳米复合材料的宏观性质。

ORN1-LED的研究比较了含有直径为1.8nm颗粒的聚合物纳米复合材料，直径为25nm的颗粒。大多数常规聚合物纳米复合材料含有直径10-50nm的颗粒。明天，新型聚合物纳米复合材料可含有远小于10nm的纳米颗粒，其具有较大的纳米颗粒无法实现的新性质。

良好的分散的小“粘性”纳米颗粒改善了特性，其中一个突发记录：提高材料的温度小于10摄氏度，引起粘度快速，百万倍。具有大纳米颗粒的纯聚合物（没有纳米颗粒）或复合材料需要至少30摄氏度的温度升高，以进行可比效果。

“我们看到了在Paradigm的转变，即将到达真正的小纳米颗粒，使得能够访问完全新的属性，”Ornl和Utk的Alexei Sokolov说。增加对新属性的访问发生，因为小颗粒比大型颗粒更快，并且与相同链上的聚合物段相互作用。更多的聚合物段粘附到大纳米颗粒上，使得从该纳米颗粒中的链条进行解离。

“现在我们意识到我们可以调整粒子的移动性 - 通过改变粒度，它们可以快速地移动，以及通过改变它们的表面，它们将与聚合物相互作用，”Sokolov说。“我们可以在较大的纳米颗粒上衡量复合材料的特性。”

更好的在一起

ORNL-LED研究需要材料科学，化学，物理，计算科学和理论的专业知识。“橡树岭国家实验室的主要优势是我们可以形成一个大型合作团队，”Sokolov说。

Cheng和Utk的Bobby Carroll进行了与Sokolov设计的实验。宽带介电光谱跟踪与纳米颗粒相关的聚合物区段的运动。热量测定法显示出固体复合材料转变为液体的温度。使用小角X射线散射，Halie Martin（UTK）和标记Dadmun（UTK和ORN1）在聚合物中表征纳米粒子分散体。

为了更好地了解实验结果并将它们与基本的相互作用，动态和结构相关联，该团队转向大规模的建模和仿真（通过OAK Ridge领导计算机，DoE办公室启用了大规模的建模和仿真（由Ornl的Bobby Sumpter和Jan-Michael Carrillo） ornl的科学用户设施。

“将我们花了很多时间来解决这些粒子如何影响聚合物链的节段性运动，”程说。“这些东西无法从宏观的实验中可视化。计算机模拟的美丽是他们可以向您展示链条移动以及粒子如何移动，因此该理论可用于预测温度依赖。“

伊利诺伊州的石捷谢和肯尼斯·施韦尔（Shi-jie Xie和Kenneth Schweizer）在这种纳米复合材料中创造了集体活化动力学的新基本理论描述，并定量应用其以了解新颖的实验现象。该理论使得能够预测可用于制定用于优化材料特性的设计规则的物理行为。

Carrillo和Sumpter在美国最强大的超级计算机上开发和运行模拟，并写了编码来分析Rhea集群上的数据。LAMMPS分子动力学代码计算出快速纳米粒子相对于聚合物段移动以及纳入纳米颗粒的长度段。

“我们需要泰坦对于相对较大的系统（200,000至40万粒子）运行很长时间的结果这些模拟允许在相对较长的时间内占聚合物和纳米粒子动力学，“卡拉里罗说。“这些聚合物缠绕。想象一下，在碗里拉一股意大利面。链条越长，它越纠缠在一起。所以它的动作慢得多。“需要长，缠绕的聚合物链的分子动力学模拟，以计算类似于实验条件的时间相关函数，并在伊利诺伊州同事提出的实验与理论之间找到联系或协议。

模拟还可视化纳米粒子如何相对于聚合物链移动。证实实验和理论使科学家更接近验证预测，并创造更清楚地了解纳米颗粒变化行为如何改变纳米粒子尺寸或纳米颗粒 - 聚合物相互作用将影响聚合物损失足够粘度以变为液体并开始流动的温度并开始流动的温度。大颗粒在聚合物运动的时间等级上相对不动，而小颗粒更加流动，并且倾向于从聚合物脱离更快。

出版物：Shiwang Cheng等，“小纳米粒子的大效果：聚合物纳米复合材料的范例转变，“ACS纳米，2017,11（1），PP 752-759; DOI：10.1021 / ACSNANO.6B07172