流体混合可实现软聚合物结构的可扩展制造

研究人员已经开发并展示了一种高效且可扩展的技术，使他们能够制造十几种不同结构或“形态”的软聚合物材料，从带状和纳米级片材到棒状和支化颗粒。该技术允许用户在微米级和纳米级微调材料的形态。

“这一进步很重要，因为该技术可用于多种聚合物和生物聚合物。由于这些聚合物微结构和纳米结构的形态对其应用至关重要，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，”该论文的通讯作者、S. Frank 和 Doris Orlin Velev 说。北卡罗来纳州立大学化学和生物分子工程 Culberson 特聘教授。“例如，纳米片可用于设计更好的电池，而树枝状胶体——具有极高表面积的聚合物纤维的分支网络——可用于环境修复技术或新型轻质超材料的创造。”

从根本上说，所有不同的形态都是使用称为聚合物沉淀的众所周知的过程产生的。在这个过程中，聚合物溶解在溶剂中，产生聚合物溶液。然后将该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。

这里的新鲜事是，研究人员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聚合物软物质的结构。

第一组参数是剪切速率，它指的是当两种液体混合在一起时，液体被搅拌的速度有多快。第二组参数是聚合物溶液中聚合物的浓度。最后一组参数是最初溶解聚合物的溶剂的成分，以及添加聚合物溶液的液体的成分。

“我们确定了影响聚合物材料最终形态的关键参数，这反过来又给了我们很大的控制力和多功能性”，该论文的第一作者和最近的博士学位 Rachel Bang 说。毕业于北卡罗来纳州。“因为我们现在了解了这些因素中的每一个的作用以及它们如何相互影响，所以我们可以重复地微调聚合物颗粒形态。”

“尽管我们已经展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结果和应用的早期阶段，”Velev 说。

研究人员已经证明，树枝状胶体可用于制造用于生长活细胞的膜，或用于制造疏水性或亲水性涂层。研究人员还与合作者合作，证明纳米片有潜力用作锂离子电池中更高效的隔膜。

“该技术还可用于多种天然生物聚合物，例如植物蛋白，并且可用于支持多种应用，例如开发基于植物的人造肉，这需要精确控制蛋白质颗粒形态新加坡理工学院和荷兰瓦赫宁根大学的共同作者 Simeon Stoyanov 教授补充道。“此外，由于我们的技术基于使用传统混合器混合液体，因此可以很容易地扩大规模以用于实际制造。”

“我们目前正在与食品科学研究人员合作，以确定如何使用蛋白质微棒来控制某些食品的质地，”Velev 说。“而且我们还与合作者合作，探索我们的技术如何用于生产用于可生物降解软电子产品的生物聚合物基材料。

“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中的潜在应用。”

北卡罗来纳州立大学已颁发或正在申请关于微棒、纳米纤维、树枝状胶体的剪切制造及其在电化学能源中的应用的专利。

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