Полукристаллические полимеры представляют собой твердые вещества, которые, как предполагается, могут течь только при температуре выше их температуры плавления. В новом исследовании, опубликованном в журнале Science Advances , Чиен-Хуа Ту и исследовательская группа из Института исследований полимеров имени Макса Планка в Германии и Университета Янины в Греции поместили кристаллы в наноскопические цилиндрические поры, чтобы показать текучесть полукристаллических полимеров ниже уровня их плавления. точка, наряду с промежуточным состоянием вязкости до состояний расплава и кристаллов.
Капиллярный процесс был сильным во время явления и затягивал полимерные цепи в поры, не расплавляя кристалл. Неожиданное улучшение текучести облегчило условия обработки полимера , применимые к низким температурам, подходящие для использования в органической электронике.
Кристаллическое состояние
Около 2500 лет назад философ Гераклит предположил, что «все течет», и хотя идеальные кристаллы при нулевой температуре не текут, кристаллические материалы текут при определенных условиях. Например, существующие исследования около 100 лет назад показали, что течение чугуна в виде движущихся металлических зерен, окруженных тонким аморфным слоем, аналогично переохлажденной жидкости.
Используя моделирование молекулярной динамики , исследователи подтвердили идеи, чтобы дополнительно предположить значение сложной «жидкости» границ зерен при пластической деформации. Например, предполагается, что внутреннее ядро Земли также сохраняет железо в кристаллическом состоянии . Кроме того, ядра таких планет, как Нептун и Уран , состоят из суперионной кристаллической воды, которая течет, создавая свое магнитное поле, которое, возможно, в конечном итоге привело к нашему собственному существованию.
Кристаллические материалы, обладающие подвижностью, подобной жидкости, известны как « суперионика » и важны для применения в энергетике. Полукристаллические полимеры представляют собой твердые вещества, не текучие при нормальных условиях. В этой работе Ту и его коллеги показали, как текут даже полукристаллические полимеры. Чтобы изучить это явление, они использовали два полукристаллических полимера; поли(этиленоксид) и поли(ε-капролактон) со специфическими молекулярными характеристиками. Материаловеды разработали для исследования шаблоны из нанопористого оксида алюминия, основанные на существующих литературных протоколах.
Характеристика материалов
Ученые исследовали термодинамические, структурные и реологические свойства сыпучих полиэтиленоксидных материалов. Данные подтвердили, что пленка материала на шаблоне из оксида алюминия находится в полукристаллическом состоянии. Команда наблюдала организацию пространства доменов кристаллических ламелей с малоугловым рассеянием рентгеновских лучей . Они использовали поляризационную оптическую микроскопию для изучения сверхструктуры объемного полиэтиленоксида с пленкой, медленно охлаждаемой от температуры расплава до температуры окружающей среды. Результаты показали единую сферолитную сверхструктуру для полиэтиленоксида, в то время как динамика структуры поли(ε-капролактона), синтезированного с катализатором, различалась.
Исследовательская группа провела 28-дневную пропитку (поглощение воды, что приводит к набуханию материалов) двух полимерных материалов в шаблонах из анодного оксида алюминия и исследовала образцы с помощью сканирующей электронной микроскопии и атомно-силовой микроскопии , чтобы охарактеризовать их. В отличие от относительно гладкого внешнего вида полиэтиленоксида, поли(ε-капролактон) материалы демонстрировали многочисленные зернистые структуры из-за различного морфологического происхождения при внутрикристаллической диффузии. После изучения внешнего вида материалов исследователи провели нано-инфракрасную микроскопию.для получения дополнительных изображений рельефа поверхности двух материалов. Результаты ясно показали полукристаллическую природу полиэтиленоксида. Они также рассмотрели возможность того, что капиллярная сила в экспериментальной установке будет достаточно высокой, чтобы расплавить кристаллы во время течения, и отметили, что вязкость полукристаллических полимеров будет снижаться во время экспериментов.
Механизмы впитывания
Механизмы поглощения жидкости и набухания материалов, известные как впитывание из полукристаллического состояния, основывались на динамике его кристаллических и аморфных доменов. На аморфную и кристаллическую области действовали четыре процесса; сегментарная релаксация определяла динамику в аморфной области, тогда как три других процесса влияли на кристаллическую область, демонстрируя внутрикристаллическую цепную диффузию для кристаллоподвижных полимеров, таких как полиэтиленоксид.
Поскольку впитывание кристаллов также включало диффузию целых кристаллитов, Ту и его команда исследовали влияние молекулярной массы полимеров на процесс впитывания. Результаты показали, что молярная масса регулирует скорость впитывания.
Перспективы применения
Таким образом, Чиен-Хуа Ту и его коллеги использовали несколько методов визуализации в материаловедении , таких как сканирующая электронная микроскопия , атомно-силовая микроскопия и результаты нано-инфракрасного излучения, чтобы изучить, как полукристаллические полимеры претерпевают течение внутри нанопор, состоящих из анодного оксида алюминия, посредством капиллярного действия . . Они измерили вязкоупругое поведение полимеров с помощью сдвигового реометра , и оказалось, что капиллярное действие управляет процессом адсорбции полимера.
Хотя успешное впитывание было относительно медленным процессом, капиллярная сила была достаточно сильной, чтобы втягивать кристаллиты полимера в нанопоры, не расплавляя кристаллы. Неожиданное увеличение текучести при сохранении кристаллитов полимера при обработке полимеров при низких температурах. Такое явление может привести к текучести на холоде и последующему связыванию полимеров с керамикой или металлом в определенных условиях для предотвращения деградации полимера. Такие полукристаллические полимеры и сегнетоэлектрические материалы находят множество применений в органической электронике, влияя на их электронные и физические свойства.
