Fysiker från Moscow Institute of Physics and Technology (MIPT) och Lomonosov Moscow State University har kombinerat termisk analys och röntgenspridning - två tekniker för att studera kristallstruktur - i en experimentell uppsättning för att undersöka semikristallina polymerer. Över 100 miljoner ton av sådana polymerer produceras årligen för att tillverka tyger, förpackningsmaterial, neurala proteser, och mer. En djupgående förståelse av strukturen och beteendet hos dessa material är nödvändig för att syntetisera och bearbeta polymerer som inte misslyckas även under extrema förhållanden och i specialiserade applikationer. Forskningsresultaten publicerades i ACS makrobokstäver och finns på omslaget till tidskriften.

Genom att observera hur ett material beter sig vid växlande temperaturer, man kan bestämma dess värmekapacitet och några andra termiska egenskaper. Denna princip ligger till grund för termisk analys, en uppsättning bastekniker för materialforskning. Författarna fann att termisk analys kan ge falska resultat när den appliceras på semikristallina polymerer. För att hitta och korrigera bristerna i data som karaktäriserar materialet, fysikerna förbättrade utformningen av kalorimetern – den viktigaste enheten i deras termiska analysexperiment – ​​samt gjorde röntgenbilder av provet längs vägen.

Ett termoanalytiskt experiment riskerar att strukturen på provet som undersöks kan förändras okontrollerat, eftersom det värms upp. Om detta händer, själva fynden kommer att gälla någon okontrollerad modifiering av originalmaterialet. Detta gäller särskilt för semikristallina polymerer, vars metastabila struktur inte bara är känslig för temperatur utan också beror på provets termiska historia.

Strukturen hos en semikristallin polymer (figur 1) är speciell genom att den långa polymerkedjan delvis är anordnad i regelbundna veck, känd som kristallina lameller, medan någon annanstans, i de så kallade amorfa regionerna, den slingrar sig oförutsägbart. När temperaturen ändras, denna struktur kan uppträda på ett komplext sätt. Särskilt, materialet kan uppvisa flera smältningshändelser istället för bara en. Dock, detta indikerar inte nödvändigtvis komplext termodynamiskt beteende, eftersom effekten också kan förklaras av polymerstrukturen som utvecklas under analysens gång. Detta ställer tvivel om resultaten av tidigare termoanalytiska experiment, eftersom de inte uteslöt möjligheten till polymerstrukturutveckling.

Forskarna hittade ett sätt att eliminera denna osäkerhet. De kom med en experimentell uppsättning för att studera semikristallina polymerer som kombinerar termisk och röntgenanalys. Det visade sig att den kritiska parametern är uppvärmningshastigheten:För att förhindra strukturella förändringar av provet under experimentets gång, temperaturen behöver ändras snabbare än polymerstrukturell omorganisation inträffar. I synnerhet, den kritiska uppvärmningshastigheten beror på temperaturen vid vilken polymeren kristalliserades.

Tidningens medförfattare professor Dimitri Ivanov, som leder Laboratory of Functional Organic and Hybrid Materials vid MIPT och är forskningschef vid det franska nationella centret för vetenskaplig forskning, kommenterade resultaten av studien:"Vi visar att resultaten som erhållits med denna metod [termisk analys] kan vara missvisande, eftersom de beror på de experimentella förhållandena. För att inte hamna i denna fälla, termisk analys måste kompletteras med en teknik som röntgenspridning."

Bland andra, forskarna studerade en polymer som heter polytrimetylentereftalat, eller PTT, kristalliserade vid 150 grader Celsius. De fann att när den värms upp med 500 grader per sekund eller snabbare, det finns inte tillräckligt med tid för polymerens struktur att förändras. Dock, vid en relativt låg uppvärmningshastighet på 1 grad per sekund, detta var inte fallet.

Dessa fynd möjliggjordes av förbättrad kalorimetriutrustning. Först, författarna designade och använde en ultrasnabb kalorimeter som kan arbeta med snabba temperaturförändringar. För det andra, apparaten kombinerades med en röntgendiffraktometer innefattande en synkrotronljuskälla och en ultrasnabb röntgendetektor. Denna detektor, som är tillräckligt känslig för att upptäcka enskilda fotoner, användes för att övervaka förändringar i materialets struktur med millisekunders precision.

Genom att observera flera smälttoppar av semikristallina polymerer vid olika uppvärmningshastigheter, författarna har bevisat att detta beteende faktiskt kan vara bevis på komplex termodynamik i motsats till strukturella förändringar i materialet. Förutom, studien skisserar gränserna för tillämpligheten av den mycket använda analysutrustningen, pekar ut sin svaga punkt – nämligen bristen på information om provets struktur under experimentet. Genom att förbättra sina termiska analysexperiment med en strukturkänslig teknik som röntgenspridning, andra forskare kan nu få en bättre förståelse av beteendet och egenskaperna hos semikristallina polymerer, en ekonomiskt viktig materialklass.