Bliver glasagtig:Afslørende struktur og dynamik af glasagtige polymerer under overgang

Briller er ikke, måske overraskende, teknisk solid i en krystalliseret form, men er stoffer frosset i en væskelignende struktur. Der er mange grundlæggende spørgsmål om, hvordan briller dannes, overgang fra flydende væske til massivt glas. En central faktor materialer forskere studerer, når de udforsker fænomener om glas, som dens dannelse, er temperaturen, hvor dette sker, glasovergangstemperaturen.

Et internationalt samarbejde mellem beregningsfysikere og kemikere har kastet nyt lys over, hvordan polymerstrukturen bærer denne temperatur ved dannelsen af ​​glas i ataktisk polystyren (PS), et almindeligt anvendt glasstof. Deres arbejde rapporteres i denne uge i Journal of Chemical Physics , fra AIP Publishing.

Alexey Lyulin, en fysiker ved Technische Universiteit Eindhoven i Holland og besøgende fakultetsmedlem ved Stanford University, ledet arbejdet med at udføre supercomputer-behandlede simuleringer.

"Glasovergang er faktisk et mystisk fænomen, "Lyulin sagde." Det er stadig ikke helt forstået, selv for meget enkle væsker. "

Og polymerer, Lyulin tilføjer, er ikke simple væsker. De har meget lange kædelignende molekyler, og krystalliserer generelt ikke, men danner amorf, glasagtige faste stoffer. Denne glasagtige tilstand er vigtig for mange applikationer som f.eks. for eksempel, nanolithografi. Polymergrænsefladen er også vigtig, da det er her vigtig mekanik og varmeoverførsel mellem forskellige molekyler sker.

Lyulin og hans kolleger kiggede på polymerglasovergangen i bulkprøver, men var især interesseret i tynde film af polystyren. På nanolevel, disse film er ofte sammenlignelige med en molekyltykkelse. Ved at studere glasovergangen for polymerer i denne skala, Lyulin påpegede, at forskere ønsker at lære om den relevante dynamik såvel som strukturen.

"I vores papir, vi studerede kun polystyrenstruktur og hvad der sker med denne struktur ved glasovergang, når du går til meget tynd, nanometer-tykke film, "Sagde Lyulin.

Han bemærkede, at papirets forfattere var bekendt med eksperimentel forskning, der angav i en tynd, fritstående film uden et underlag, polystyrenovergangstemperaturen er meget lav, sammenlignet med massen af ​​polystyren, med en forskel på omkring tres grader Celsius.

"Det er en enorm effekt - den største effekt, der observeres i polymerfilm, "Lyulin sagde." Og så forsøgte vi at forstå hvorfor, hvad der er så specifikt om polystyren. "

Forfatterne antog, at mange af benzenringene i polystyrenfilmen skubbes til filmens periferi, afslører en interessant opførsel af disse ringinteraktioner, også kaldet aromatiske eller pi-pi interaktioner.

"Det betyder, at de meget stærke interaktioner mellem benzenringe på en eller anden måde svækkes inde i filmen, "Lyulin sagde." Og på grund af denne svækkelse, glasovergangen sker lavere i temperaturen. "

Forskellige grupper inden for forskergruppen testede denne hypotese med en flerstrenget tilgang. En gruppe udarbejdede de første filmprøver, den ene kørte computersimuleringer og en anden gruppe hjalp med at analysere resultaterne.

Lyulin sagde, at teamet også så, at overgangstemperaturen var påvirket af polymerens kølehastigheder. De testede over 100 polystyrenfilm med forskellig struktur, tykkelse og ved forskellige temperaturer, der tog over seks måneder, og computersimuleringens kølehastighed var mange ordrer hurtigere end i eksperimenter.

For Lyulin, den stærke bekræftelse af deres noget overraskende hypotese fremhæver, at fundene giver grundlæggende indsigt om polystyrenfilmens molekylære struktur, når det glasagtige stof nærmer sig overgangen.

"Disse pi-pi aromatiske interaktioner spiller meget, meget vigtig rolle i denne specifikke polymer og i enhver polymer, der indeholder aromatiske ringe, "Sagde Lyulin." Pi-pi-interaktionerne fører til specifik orientering, bestilling af disse aromatiske grupper og derefter til specifik struktur, der har meget vigtige konsekvenser for dette glasagtige materiale. "

Lyulin tilføjer, at dette ser ud til at forekomme med andre ikke-polymere materialer, såsom den i øjeblikket populære grafen, som har disse pi-pi interaktioner mellem sine kulstofringe. Han håber, at han og kolleger vil fortsætte denne forskningslinje og matche resultater med andre teoretikere og eksperimenter.

"Det ville være meget interessant at studere og sammenligne denne effekt dynamisk, hvad sker der med disse ringes mobilitet hvordan de slapper af, og hvad der sker med mobiliteten af ​​andre polymersegmenter ved afkøling i systemet, "Lyulin sagde." Det ville være meget interessant at sammenligne både statiske og dynamiske Tg (overgangstemperaturer) værdier "