Kemiske ingeniører udgiver papir udfordrende teorier om glasovergang

Greg McKenna, Horn Professor og John R. Bradford-stolen i Department of Chemical Engineering ved Texas Tech University's Edward E. Whitacre Jr. College of Engineering, har udgivet sit papir, "Afprøvning af paradigmet for en ideel glasovergang:dynamikken i et ultrastabilt polymerglas, " i journalen Videnskabens fremskridt . Papirets resultater strider imod mangeårige teorier.

"Værket udfordrer faktisk teorier om glasovergangen, " sagde McKenna. "Det er virkelig vigtigt, for hvis du flyver med et fly, og delene er lavet med polymerbaserede kompositter, du vil gerne være i stand til at forudsige, hvor længe de vil vare og gøre det mere effektivt. For at gøre det, du skal have korrekte teorier om de materialer, du bruger. Det er virkelig fundamentalt, men det har også anvendte problemer involveret."

For at teste teorien, McKenna og hans tidligere kandidatstuderende, Heedong Yoon, som dimitterede i maj og er opført som den første forfatter på papiret, opdaget et materiale, der virker, som om det er hundreder af millioner af år gammelt, selvom det teknisk set er et nyt materiale.

"Vi opdagede, at vi kunne lave en dampaflejring - en proces, hvor et polymermateriale tvinges til en damptilstand og kondenseres på et substrat ved en signaturtemperatur, hvor kemisk reaktion eller omdannelse finder sted til dannelse af et fast materiale – i dette tilfælde et amorft teflonglas, " sagde McKenna. "Det viste sig, at dette glas var i en tilstand, som det havde eksisteret i 100 millioner år. Udfordringen var dog, at vi kun lavede nogle få, højst, mikrogram, nogle gange nanogrammer, af materiale. Vi ønskede at teste dynamikken i disse materialer, men hvordan gør vi det?"

Svaret blev fundet i et papir fra 2005, tidligere Texas Tech kemiingeniørprofessor Paul O'Connell og McKenna offentliggjort i tidsskriftet Videnskab .

"Det viser sig at, i 2005, vi havde lavet denne undersøgelse af en anden grund, at studere materialer på nanoskala, " sagde McKenna. "Så vi har en metode kaldet Texas Tech Nanobubble Inflation Method, en eksperimentel teknik til måling af de viskoelastiske egenskaber af ultratynde polymerfilm. Vi var i stand til at tilpasse det for at teste disse nanogram-mængder af materiale. Det, vi opdagede, var, at vi var i stand til at karakterisere den viskoelastiske respons, eller materialets dynamik, helt ned til Kauzmann-temperaturen, eller ideel glastemperatur.

"Vi var i stand til at vise, at teorierne om glasovergangen, som vi siger adskiller sig, er forkerte. Disse teorier har svævet rundt siden 1920'erne. Der er nogle mennesker, der virkelig ikke kan lide vores resultater, fordi det går imod, hvad der har været almindeligt kendt og også teoretiseret i næsten 100 år."

McKennas resultater kunne hjælpe folk, der fremstiller polymerer, bedre at forudsige deres adfærd i langtidsanvendelser.

"Hvis ingeniører skal være sofistikerede i deres design af fly og brug af disse materialer til avancerede applikationer, som at tage til Mars, så har de virkelig brug for at vide, hvordan polymererne udvikler sig med tiden, " sagde McKenna. "Hvis det vi gjorde er rigtigt, det betyder, at polymererne udvikler sig hurtigere, end folk måske tror, og de skal virkelig tage højde for det, når de designer materialer til alt fra mikroelektronik og biler til avancerede rumfartøjer – når som helst der er behov for langsigtet ydeevne."