Когда кристаллы текут: температура плавления полимера

Когда кристаллы текут: Точка плавления полимера: Полукристаллические полимеры представляют собой твердые вещества, которые, как предполагается, текут только при температуре выше температуры плавления. В новом исследовании, опубликованном в журнале Science Advances, Чиен-Хуа Ту и исследовательская группа из Института исследования полимеров Макса Планка в Германии и Университета Янины в Греции поместили кристаллы в наноскопические цилиндрические поры, чтобы показать текучую природу полукристаллических полимеров ниже их плавления. точка, наряду с промежуточным состоянием вязкости между состояниями расплава и кристалла.

Капиллярный процесс во время явления был сильным и затягивал полимерные цепи в поры, не плавя кристалл. Неожиданное улучшение текучести облегчило условия обработки полимеров, применимые к низким температурам и подходящие для использования в органической электронике.

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-летней давности показали, что течение чугуна в виде текущих металлических зерен, окруженных тонким аморфным слоем, аналогично переохлажденной жидкости.

Используя моделирование молекулярной динамики, исследователи подтвердили свои идеи и позволили еще больше предположить значение сложной зернограничной «жидкости» для пластической деформации. Например, предполагается, что внутреннее ядро ​​Земли удерживает железо в кристаллическом состоянии. Более того, ядра таких планет, как Нептун и Уран, состоят из суперионной кристаллической воды и текут, создавая магнитное поле, что, возможно, в конечном итоге привело к нашему собственному существованию.

Кристаллические материалы, обладающие подвижностью, подобной жидкости, известны как «суперионика» и важны для энергетических применений. Полукристаллические полимеры – это твердые вещества, которые не текут при обычных условиях. В этой работе Ту и его коллеги показали, как даже полукристаллические полимеры текут. Чтобы изучить это явление, они использовали два полукристаллических полимера; поли (этиленоксид) и поли (ε-капролактон) со специфическими молекулярными характеристиками. Ученые-материаловеды разработали для исследования самостоятельно заказанные шаблоны из нанопористого оксида алюминия на основе существующих литературных протоколов.

Ученые исследовали термодинамику, структурные и реологические свойства объемных полиэтиленоксидных материалов. Данные подтвердили, что пленка материала на шаблоне из оксида алюминия находится в полукристаллическом состоянии. Команда наблюдала организацию доменного пространства кристаллических ламелей с помощью малоуглового рассеяния рентгеновских лучей. Они использовали поляризационную оптическую микроскопию для изучения сверхструктуры объемного полиэтиленоксида с пленкой, медленно охлаждаемой от расплава до температуры окружающей среды. Результаты показали единую сферолитовую сверхструктуру полиэтиленоксида, в то время как структурная динамика 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 наблюдала образцы с помощью сканирующей электронной и атомно-силовой микроскопии, чтобы охарактеризовать их. В отличие от относительно гладкого внешнего вида полиэтиленоксида, материалы поли(ε-капролактона) демонстрируют обильную зернистую структуру из-за разнообразного морфологического происхождения при внутрикристаллической диффузии. Изучив внешний вид поверхности материалов, исследователи провели нано-инфракрасную микроскопию, чтобы получить дополнительные изображения топографии поверхности двух материалов. Результаты ясно показали полукристаллическую природу полиэтиленоксида. Они также рассмотрели возможность того, что капиллярная сила в экспериментальной установке будет достаточно высокой, чтобы плавить кристаллы во время течения, и отметили, что вязкость полукристаллических полимеров должна снижаться во время экспериментов.

Механизмы поглощения жидкости и набухания материалов, известные как пропитка из полукристаллического состояния, основаны на динамике его кристаллических и аморфных областей. На аморфную и кристаллическую области действовали четыре процесса; сегментальная релаксация определяла динамику в аморфном домене, тогда как три других процесса повлияли на кристаллический домен, продемонстрировав внутрикристаллическую цепную диффузию для кристаллоподвижных полимеров, таких как полиэтиленоксид.