Гвидо Кустерс создал математические модели, которые помогут в разработке «умных» полимеров, и защитил докторскую степень. защитил диссертацию с отличием на факультете прикладной физики и естественнонаучного образования Технологического университета Эйндховена 29 мая.
«Вполне вероятно, что вы сегодня уже использовали один или несколько умных полимеров», — говорит Кастерс.
«Как гель для волос. Он мягкий и податливый, когда вы выдавливаете его из тюбика, но как только он попадает в волосы, он становится твердым, поэтому ваша прическа будет оставаться на месте до конца дня. Эти материалы по своей сути мягкие, что очень важно. знакомо по таким вещам, как резинки, зубная паста и любая пластиковая упаковка».
Кастерс объясняет, что мягкие материалы часто имеют однозначную функцию. Например, пластиковая упаковка отделяет продукт от его окружения. Но именно та легкость, с которой эти материалы могут менять форму, делает их очень подходящими для более сложных функций, в которых им, например, необходимо адаптироваться к изменениям в окружающей среде.
«Такие материалы называются мягкими отзывчивыми материалами», — говорит Кастерс, и именно это он провел последние четыре года, тщательно исследуя.
Доступный метод
Вместо того чтобы проводить часы в лаборатории, Кастерс в основном работал на своем ноутбуке. У него была четкая миссия: он хотел сделать разработку умных полимеров более эффективной с помощью математических моделей. Но разве проведение экспериментов не учит нас большему?
«Если бы это было так легко сделать в лаборатории, мы бы это сделали», — подчеркивает Кастерс. «Мы часто имеем дело с очень ценными материалами и длительными испытаниями. Невозможно опробовать что-то быстро. Особенно когда речь идет об оптимизации умных полимеров, расчетная модель обеспечит более быстрое представление о том, как материал может быть улучшена.»
Он не первый, кто пытается внедрить умные полимеры в модель, говорит Кастерс. И все же его подход уникален, отчасти потому, что его проект является частью крупного исследовательского консорциума Soft Advanced Materials. Это предполагает совместную работу нескольких университетов и исследовательских институтов, а также нескольких промышленных партнеров.
«В более ранних моделях использовались гораздо более сложные механизмы в численном виде. Это делает его очень точным, но требует каждый раз выполнения новых сложных расчетов. Наш новый метод моделирования гораздо более доступен, а также применим в целом. Это означает, что его также легче использовать в промышленности».
Удобрение гранулированное
Кастерс тянется к маленькой сумке, лежащей на его столе рядом с объемистой диссертацией.
«Одно дело создать модель, но я также хотел показать, что эту модель можно использовать для очень многих умных полимеров. От относительно простых полимерных материалов до более биологических структур. Я действительно исследовал широкий спектр».
Кастерс открыл пакет и достал несколько маленьких гранул. «Партнер по сотрудничеству Corbion производит гранулы мочевины, которые используются в крупномасштабном сельском хозяйстве. Обычно питательные вещества высвобождаются одновременно, но постепенное высвобождение было бы гораздо более желательным для растений и окружающей среды. Этого можно достичь, покрыв гранулы умный полимер».
Идея звучит просто, говорит он. «Во влажной среде полимерный слой расширяется, делая его пористым. Это позволяет питательным веществам растворяться в воде и высвобождаться. Но большая проблема состоит в том, чтобы адаптировать профиль высвобождения этих полимерных слоев к потребностям сельскохозяйственных культур. А для этого нам нужно лучше понимать поведение полимерного покрытия».
Модель Кастерса предоставила необходимые сведения. «Гранулы удобрений должны выделять питательные вещества в течение всего растительного цикла, который составляет как минимум шесть месяцев. Это значит, что практические эксперименты отнимают очень много времени. Мы проанализировали, какие механизмы важны для высвобождения. Толщина покрытия , как вода течет по каналам, насколько кристаллическим является полимер, который мы используем. Моя модель позволяет модифицировать полимерное покрытие и сразу увидеть, как изменится высвобождение».
Пышные мозги
Кастерс вложил в свою модель гораздо больше, чем просто гранулы мочевины. «Меня вдохновили умные полимеры, которые разрабатываются исследовательской группой CEC «Функциональные материалы и устройства, реагирующие на стимулы», такие как вибрирующее покрытие, которое может самостоятельно очищать солнечные элементы или, возможно, даже марсоход. Какой именно механизм стоит за этим? ? И как мы можем заранее запрограммировать определенные движения?»
Он провел четыре года в Гарварде, чтобы внести свой вклад в создание нового материала на основе биологических тканей. Или миниатюрный мозг — проект, с которым он впервые познакомился благодаря связям, которые он установил во время магистерской стажировки в Оксфордском университете.
«Край искусственного мини-мозга на чипе с течением времени становится все более морщинистым. Эти морщины имеют решающее значение для правильного функционирования нашего изогнутого мозга. Генетическое заболевание — лиссэнцефалия, что буквально означает «гладкий мозг», — может уменьшить морщины, которые может привести к психическим нарушениям. Мы хотели бы использовать нашу модель, чтобы получить представление о морщинах мозга, возможно, даже использовать ее для диагностики такого рода нарушений на ранней стадии». Однако он подчеркивает: «Я говорю о далеком будущем».
То, что в его диссертации описывается якобы широкий спектр приложений, «определенно имеет веские причины», говорит Кастерс. «Мы продемонстрировали, что вы можете использовать относительно общий подход для описания большого количества мягких адаптивных материалов. И, что не менее важно, вы можете впоследствии сделать из этого полезные выводы. Итак, для тех, кто задается вопросом, почему мы моделируем вещи, это сила нашей модели».