Fysikere kaster røntgenlys på smeltende polymerer

Fysikere fra Moscow Institute of Physics and Technology (MIPT) og Lomonosov Moscow State University har kombineret termisk analyse og røntgenspredning - to teknikker til at studere krystalstruktur - i en eksperimentel opsætning for at undersøge semikrystallinske polymerer. Over 100 millioner tons af sådanne polymerer produceres årligt til fremstilling af stoffer, emballagematerialer, neurale proteser, og mere. En dybdegående forståelse af disse materialers struktur og opførsel er nødvendig for at syntetisere og forarbejde polymerer, der ikke fejler, selv under ekstreme forhold og i specialiserede applikationer. Forskningsresultaterne blev offentliggjort i ACS makrobogstaver og er omtalt på forsiden af ​​bladet.

Ved at observere, hvordan et materiale opfører sig ved skiftende temperaturer, man kan bestemme dens varmekapacitet og nogle andre termiske egenskaber. Dette princip ligger til grund for termisk analyse, et sæt basisteknikker til materialeforskning. Forfatterne fandt ud af, at termisk analyse kan give falske resultater, når de anvendes på semikrystallinske polymerer. For at finde og rette fejlene i de data, der karakteriserer materialet, fysikerne forbedrede designet af kalorimeteret - den vigtigste enhed i deres termiske analyseeksperiment - samt lavede røntgenbilleder af prøven undervejs.

Et termoanalytisk eksperiment risikerer, at strukturen af ​​prøven, der undersøges, kan ændre sig ukontrolleret, da den bliver opvarmet. Hvis dette sker, selve resultaterne vil gælde for en eller anden ukontrolleret modifikation af det originale materiale. Dette gælder især for semikrystallinske polymerer, hvis metastabile struktur ikke kun er følsom over for temperatur, men også afhænger af prøvens termiske historie.

Strukturen af ​​en semikrystallinsk polymer (figur 1) er speciel ved, at den lange polymerkæde til dels er arrangeret i regelmæssige folder, kendt som krystallinske lameller, mens andre steder, i de såkaldte amorfe områder, det bugter sig uforudsigeligt. Når temperaturen ændrer sig, denne struktur kan opføre sig på en kompleks måde. I særdeleshed, materialet kan udvise flere smeltehændelser i stedet for kun én. Imidlertid, dette indikerer ikke nødvendigvis kompleks termodynamisk adfærd, da effekten også kunne forklares ved, at polymerstrukturen udviklede sig i løbet af analysen. Dette sår tvivl om resultaterne af tidligere termoanalytiske eksperimenter, fordi de ikke udelukkede muligheden for polymerstrukturudvikling.

Forskerne fandt en måde at fjerne denne usikkerhed på. De kom med et eksperimentelt setup til at studere semikrystallinske polymerer, der kombinerer termisk og røntgenanalyse. Det viste sig, at den kritiske parameter er opvarmningshastigheden:For at forhindre strukturelle ændringer af prøven i løbet af eksperimentet, temperaturen skal ændre sig hurtigere, end polymer strukturel reorganisering finder sted. Især den kritiske opvarmningshastighed afhænger af den temperatur, ved hvilken polymeren blev krystalliseret.

Avisens medforfatter professor Dimitri Ivanov, som leder Laboratory of Functional Organic and Hybrid Materials ved MIPT og er forskningsdirektør ved det franske nationale center for videnskabelig forskning, kommenterede resultaterne af undersøgelsen:"Vi demonstrerer, at resultaterne opnået ved hjælp af denne metode [termisk analyse] kan være vildledende, da de afhænger af de eksperimentelle forhold. For ikke at falde i denne fælde, termisk analyse skal suppleres med en teknik som røntgenspredning."

Blandt andre, forskerne studerede en polymer kaldet polytrimethylenterephthalat, eller PTT, krystalliseret ved 150 grader Celsius. De fandt ud af, at når den blev opvarmet med 500 grader i sekundet eller hurtigere, der er ikke tid nok til, at polymerens struktur kan ændre sig. Imidlertid, ved en relativt lav opvarmningshastighed på 1 grad i sekundet, dette var ikke tilfældet.

Disse resultater blev muliggjort af forbedret kalorimetriudstyr. Først, forfatterne designet og brugte et ultrahurtigt kalorimeter, der er i stand til at arbejde med hurtige temperaturændringer. For det andet apparatet blev kombineret med et røntgendiffraktometer, der inkorporerede en synkrotronlyskilde og en ultrahurtig røntgenstråledetektor. Denne detektor, som er følsom nok til at se enkelte fotoner, blev brugt til at overvåge ændringer i materialets struktur med millisekunders præcision.

Ved at observere flere smeltetoppe af semikrystallinske polymerer ved forskellige opvarmningshastigheder, forfatterne har bevist, at denne adfærd faktisk kan være bevis på kompleks termodynamik i modsætning til strukturelle ændringer i materialet. Udover, undersøgelsen skitserer grænserne for anvendeligheden af ​​det udbredte analyseudstyr, påpeger dets svage punkt – nemlig manglen på information om prøvestrukturen under forsøget. Ved at forbedre deres termiske analyseeksperimenter med en strukturfølsom teknik såsom røntgenspredning, andre forskere kan nu få en bedre forståelse af semikrystallinske polymerers adfærd og egenskaber, en økonomisk vigtig materialeklasse.