Kigger ind i grænsefladerne mellem polymere materialer i nanoskala

(PhysOrg.com) -- Udviklingen af ​​polymer-nanostrukturer og nanoskala-enheder til en lang række applikationer kunne komme ud af ny information om samspillet mellem nanoskala-grænseflader i polymere materialer, takket være forskning udført ved U.S. Department of Energy Office of Sciences Advanced Photon Source (APS) ved Argonne National Laboratory.

Det er velkendt, at de fysiske og mekaniske egenskaber af polymere materialer, der er begrænset på nanoskala, adskiller sig væsentligt fra bulk, den såkaldte "nanoconfinement"-effekt. Polymere materialer omfatter en forbindelse eller blanding af forbindelser dannet ved polymerisation og i det væsentlige bestående af gentagne strukturelle enheder, fremstillet på uigennemtrængelige faste underlag. Der er nu voksende beviser for, at luft/polymer-grænsefladen og polymer/substrat-grænsefladen spiller afgørende roller i sådanne nanoindeslutningseffekter:Ved luft/polymer-grænsefladen, der eksisterer et overflademobilt lag, som forbedrer kædedynamikken, mens et immobilt adsorberet lag dannet på faste substrater uden specifikke interaktioner af en polymer (såsom π-π-stabling eller hydrogenbindinger) reducerer dynamikken. Selvom det meste tidligere arbejde har afsløret afvigelserne af "gennemsnitlige" mængder af hele nanometerfilm fra hovedparten, det forventes, at de lokale mængder i filmen vil være forskellige fra de gennemsnitlige, afhængig af samspillet mellem disse grænseflader. Det var dette ubesvarede spørgsmål – både teoretisk og eksperimentelt – der motiverede denne undersøgelse.

For at forstå i hvilket omfang disse grænsefladeeffekter forplanter sig ind i filmens indre og for at bestemme polymermaterialers rheologiske egenskaber som funktion af afstanden fra grænsefladerne, forskere fra Stony Brook University og Argonne brugte X-ray Science Division beamline 8-ID ved APS til at anvende røntgenfoton-korrelationsspektroskopi (XPCS) til polystyren (PS) film med et indlejret system af guld nanopartikler, der fungerer som markører. Med denne nye teknik, forskerne fandt ud af, at den tilfældige drift (den brownske bevægelse) af markørerne i tilstrækkelig grad sporede den lokale viskositet, som styrer flowet og de mekaniske egenskaber af polymere materialer, styret af kædeforviklinger. Ud over, brugen af ​​de to belysningstilstande med forskellige indfaldsvinkler til XPCS gjorde det muligt for dem at udforske in-situ markørdynamikken ved den øverste overflade og det nær-center område af filmen uafhængigt.

Som resultat, de opdagede, at viskositeten af ​​den øverste overflade (~ 10 nm dybde) i PS-film (~ 100 nm i tykkelse) er omkring 30 % lavere end i midten af ​​filmen. I øvrigt, XPCS-resultater afslutter den langvarige debat om, hvorvidt polymerkæder på den øverste overflade er sammenfiltret eller ej. Polymerkæderne ved luft/polymer-grænsefladen er stadig sammenfiltrede, og den tilsvarende dynamik er styret af gentagelsesmekanismen, som beskriver den "slangelignende" storstilede bevægelse af sammenfiltrede polymerkæder, som i hovedparten.

Dette arbejde rapporterer også fremkomsten af ​​de heterogene viskositetsfordelinger inden for enkeltlags polymer tynde film i termisk ligevægt. Forskerne fandt ud af, at mens polymer/luft-grænsefladen er mere mobil på grund af dens reducerede viskositet, langrækkende forstyrrelser (~60-nm i tykkelse i dette tilfælde), som er forbundet med det meget tynde, immobile adsorberede lag (~ 7-nm i tykkelse), resultere i en eksponentiel-lignende stigning i den lokale viskositet med faldende afstand fra substratgrænsefladen.

Dermed, de nuværende resultater kaster nyt lys over samspillet mellem disse grænseflader på den lokale reologiske egenskab, lette udviklingen af ​​nye polymer-nanostrukturer og nanoskala-enheder til brug på en lang række områder.