Glasögon är inte, kanske överraskande, tekniskt fast i en kristalliserad form, men är ämnen frysta i en vätskeliknande struktur. Många grundläggande frågor återstår om exakt hur glasögon bildas, övergång från flytande vätska till fast glas. En central faktor som materialforskare studerar när de utforskar fenomen om glas, som dess bildning, är temperaturen där detta inträffar, glasövergångstemperaturen.

Ett internationellt samarbete mellan beräkningsfysiker och kemister har kastat nytt ljus över hur polymerstrukturen påverkar denna temperatur vid bildandet av glas i ataktisk polystyren (PS), en vanligt förekommande glasämne. Deras arbete rapporteras denna vecka i Journal of Chemical Physics , från AIP Publishing.

Alexey Lyulin, en fysiker vid Technische Universiteit Eindhoven i Nederländerna och gästande fakultetsmedlem vid Stanford University, ledde arbetet med att utföra superdatorbearbetade simuleringar.

"Glasövergång är faktiskt ett mystiskt fenomen, "Lyulin sa." Det är fortfarande inte helt förstått, även för mycket enkla vätskor. "

Och polymerer, Lyulin tillägger, är inte enkla vätskor. De har mycket långa kedjeliknande molekyler, och kristalliserar i allmänhet inte utan bildar amorfa, glasartade fasta ämnen. Detta glasartade tillstånd är viktigt för många applikationer, t.ex. till exempel, nanolitografi. Polymergränssnittet är också viktigt, eftersom det är här viktig mekanik och värmeöverföring mellan olika molekyler sker.

Lyulin och hans kollegor tittade på polymerglasövergången i bulkprover, men var särskilt intresserade av tunna filmer av polystyren. På nanonivå, dessa filmer är ofta jämförbara med en molekyltjocklek. När man studerar glasövergången för polymerer i denna skala, Lyulin påpekade att forskare vill lära sig om den relevanta dynamiken såväl som strukturen.

"I vårt papper, vi studerade endast polystyrenstruktur och vad som händer med denna struktur vid glasövergång när du går till mycket tunn, nanometertjocka filmer, sa Lyulin.

Han noterade att tidningens författare var bekanta med experimentell forskning som indikerade i en tunn, fristående film utan underlag, polystyrenövergångstemperaturen är mycket låg, jämfört med polystyren i bulk, med en skillnad på cirka sextio grader Celsius.

"Det är en enorm effekt - den största effekten som observeras i polymerfilmer, " sa Lyulin. "Och sedan försökte vi förstå varför, vad som är så specifikt om polystyren. "

Författarna antog att många av bensenringarna i polystyrenfilmen skjuts till filmens periferi, avslöjar ett intressant beteende för dessa ringinteraktioner, även kallad aromatiska eller pi-pi-interaktioner.

"Det betyder att de mycket starka interaktionerna mellan bensenringar på något sätt försvagas inuti filmen, " sa Lyulin. "Och på grund av denna försvagning, glasövergången sker lägre i temperatur. "

Olika grupper inom forskargruppen testade denna hypotes med ett mångsidigt tillvägagångssätt. En grupp förberedde de första filmproven, en körde datasimuleringar och en annan grupp hjälpte till att analysera resultaten.

Lyulin sa att laget också såg att övergångstemperaturen påverkades av polymerens kylhastigheter. De testade över 100 polystyrenfilmer med olika struktur, tjocklek och vid olika temperaturer, som tog över sex månader, och datorsimuleringens kylningshastighet var många beställningar snabbare än i experiment.

För Lyulin, den starka bekräftelsen på deras något överraskande hypotes belyser att fynden ger grundläggande insikter om polystyrenfilmens molekylära struktur när den glasartade substansen närmar sig övergången.

"Dessa pi-pi aromatiska interaktioner spelar mycket, mycket viktig roll i denna specifika polymer och i alla polymerer som innehåller aromatiska ringar, "Sa Lyulin." Pi-pi-interaktionerna leder till specifik orientering, beställning av dessa aromatiska grupper och sedan till specifik struktur som har mycket viktiga konsekvenser för detta glasartade material. "

Lyulin tillägger att detta verkar inträffa med andra icke-polymera material, såsom den för närvarande populära grafen, som har dessa pi-pi-interaktioner mellan dess kolringar. Han hoppas att han och kollegor kommer att fortsätta denna forskning och matcha resultat med andra teoretiker och experimenter.

"Det skulle vara mycket intressant att studera och jämföra denna effekt dynamiskt, vad händer med rörligheten hos dessa ringar, hur de slappnar av och vad som händer med rörligheten för andra polymersegment vid kylning i systemet, "Lyulin sa." Det skulle vara mycket intressant att jämföra både statiska och dynamiska Tg (övergångstemperatur) värden "