Direkte observation af desorption af en smelte af lange polymerkæder

I vores hverdag er det ikke ualmindeligt at se det samme materiale i forskellige tilstande. Tag for eksempel vand:det er en væske ved omgivelsestemperatur, vi kan omdanne til is, når den afkøles under 0°C, og den bliver til en gas, når den opvarmes til over 100°C. Passagen mellem disse forskellige stoftilstande kaldes faseovergange.

Faseovergange er udtryk for organiseringen og vekselvirkningerne mellem molekyler og atomer inde i materialer, og på grund af dette er de i vid udstrækning blevet undersøgt af fysikere, kemikere, biologer, og mange flere.

Nogle faseovergange, selvom det er forudsagt af teori, forbliver undvigende, og deres eksistens kan ikke verificeres med eksperimenter, på grund af de barske forhold, de opstår under. Dette er tilfældet med adsorption/desorptionsovergangen af ​​polymerer.

Polymerer er lange molekyler, der består af gentagelsen - ofte mere end tusind gange - af den samme enhed, kaldet monomer. Denne særlige struktur bringer en række interessante egenskaber frem. For eksempel, et polymermolekyle kan klæbe kraftigt til en overflade, selvom interaktionen mellem en enkelt monomer og overfladen er meget svag: l'union fait la force . Faktisk, for at adskille hele molekylet fra overfladen, man ville være nødt til at fjerne en efter en alle de monomerer, der er svagt knyttet, hvilket er meget usandsynligt. Polymerkæder er dem, der anses for irreversibelt adsorberede, det er, en polymerkæde formodes at klæbe på en overflade, i meget lang tid, dybest set for evigt.

Teoretikere har foreslået, at den adsorberede tilstand er, i stedet, forbigående og, ved opvarmning et godt stykke over stuetemperatur, polymermolekyler bør desorbere og forlade overfladen. Dette ville være adsorption/desorptionsovergangen.

Indtil nu, imidlertid, ingen kunne verificere disse ideer, fordi temperaturerne, hvor denne faseovergang skulle forekomme, er meget høje, og materialet nedbrydes før, til sidst, desorberende.

Nu, skriver ind Naturkommunikation Simone Napolitano (Laboratory of Polymer and Soft Matter Dynamics, ULB) og hans samarbejdspartnere, Xavier Monnier og Daniele Cangialosi, fra Donostia International Physics Center og Centro de Física de Materiales i San Sebastián (Spanien) har været i stand til eksperimentelt at få adgang til adsorptions/desorptionsovergangen.

Ved at kombinere Cangialosi's ekspertise i faseovergange og Napolitanos ekspertise om adsorption, holdet har brugt en ny teknik kaldet hurtig scanning kalorimetri, som gør det muligt at måle den varme, der udveksles af et materiale, mens temperaturen varieres meget hurtigt. Teknikken kan bringe polymermolekylerne fra stuetemperatur til 400°C på en brøkdel af sekunder, og inden for dette korte interval når materialet ikke at nedbrydes.

Ved at studere dette fænomen, Monnier og kolleger har observeret, at en meget lille mængde varme frigives fra polymerkæderne, når de desorberer fra en overflade, som tillod at klassificere adsorption/desorption som en førsteordens faseovergang.

Det svarer til, hvad der sker med is, når vi lægger den på bordet. Ved lav temperatur, molekylerne forbliver sammen takket være interaktioner, som holder materialet i fast tilstand. Ved opvarmning over 0°C begynder vekselvirkningerne at falme, hvilket svarer til en varmeveksling. Det samme sker for polymerkæder, når de desorberer.

Emmanouil Glynos (Foundation for Research and Technology-Hellas), ekspert i polymerfysik kommenterede, "Monnier et al har været i stand til at observere desorption ved at opvarme et tyndt polymerlag, et pænt resultat, som ikke blev opnået før. Hurtig kalorimetri tillod dem fuldt ud at karakterisere denne uhåndgribelige faseovergang, dette er et utroligt fremskridt inden for det bløde stofs fysik.

Ud over den enorme fremgang i studiet af faseovergange, denne undersøgelse åbner for nye metoder til at skræddersy egenskaberne af nanomaterialer som smarte belægninger, fleksibel elektronik og mere. Egenskaberne ved disse innovative systemer, faktisk, afhænger af hvor mange molekyler der adsorberes, og forfatterne forudser, at ved at mestre adsorption/desorption overgangen tilstrækkeligt vil det være muligt at fremstille bedre ydende og mere holdbare materialer.