(PhysOrg.com) - Utvecklingen av polymernanostrukturer och nanoskalaenheter för en mängd olika tillämpningar kan komma från ny information om samspelet mellan nanoskala gränssnitt i polymera material, tack vare forskning utförd vid U.S. Department of Energy Office of Science Advanced Photon Source (APS) vid Argonne National Laboratory.

Det är välkänt att de fysiska och mekaniska egenskaperna hos polymera material som begränsas vid nanoskala skiljer sig väsentligt från massan, den så kallade ”nanokonfinansiering” -effekten. Polymera material består av en förening eller blandning av föreningar som bildas genom polymerisation och som huvudsakligen består av upprepande strukturella enheter, beredda på ogenomträngliga fasta underlag. Det finns nu ökande bevis för att luft/polymer -gränssnittet och polymer/substrat -gränssnittet spelar avgörande roller för sådana nanokonfinansieringseffekter:Vid luft/polymer -gränssnittet, det finns ett mobilt ytskikt som förbättrar kedjedynamiken, medan ett orörligt adsorberat lager bildas på fasta substrat utan specifika interaktioner mellan en polymer (såsom π-π stapling eller vätebindningar) minskar dynamiken. Även om de flesta tidigare arbeten har avslöjat avvikelserna från "genomsnittliga" mängder av hela nanometerfilmer från massan, det förväntas att de lokala mängderna i filmen skulle skilja sig från de genomsnittliga, beroende på samspelet mellan dessa gränssnitt. Det var denna obesvarade fråga- både teoretiskt och experimentellt- som motiverade denna studie.

För att förstå i vilken utsträckning dessa gränssnittseffekter sprider sig in i filmens inre och för att bestämma den reologiska egenskapen hos polymera material som en funktion av avståndet från gränssnitten, forskare från Stony Brook University och Argonne använde X-ray Science Division beamline 8-ID vid APS för att applicera röntgenfotonkorrelationsspektroskopi (XPCS) på polystyren (PS) filmer med ett inbäddat system av guldnanopartiklar som fungerar som markörer. Med denna nya teknik, forskarna fann att den slumpmässiga driften (den bruna rörelsen) hos markörerna spårade den lokala viskositeten tillräckligt, som styr flödet och de mekaniska egenskaperna hos polymera material, styrs av kedjestörningar. Dessutom, användningen av de två belysningslägena med olika infallsvinklar för XPCS möjliggjorde för dem att självständigt utforska markördynamiken på plats på den övre ytan och filmens mittpunktsregion.

Som ett resultat, de upptäckte att viskositeten för den översta ytan (~ 10 nm djup) i PS -filmer (~ 100 nm i tjocklek) är cirka 30% lägre än den i filmens centrum. Dessutom, XPCS-resultaten avslutar den långvariga debatten om huruvida polymerkedjor på den övre ytan är intrasslade eller inte. Polymerkedjorna vid luft/polymer -gränssnittet är fortfarande intrasslade och motsvarande dynamik styrs av reptationsmekanismen, som beskriver den "ormliknande" storskaliga rörelsen av intrasslade polymerkedjor, som i bulk.

Detta arbete rapporterar också framväxten av de heterogena viskositetsfördelningarna inom tunnskiktade polymerfilmer i termisk jämvikt. Forskarna fann att även om gränssnittet mellan polymer och luft är mer rörligt på grund av dess reducerade viskositet, störningar på lång sikt (~ 60 nm i tjocklek i detta fall), som är associerade med det mycket tunna orörliga adsorberade skiktet (~ 7 nm i tjocklek), resultera i en exponentialliknande ökning av den lokala viskositeten med minskande avstånd från substratgränssnittet.

Således, de nuvarande fynden kastar nytt ljus över samspelet mellan dessa gränssnitt på den lokala reologiska egendomen, underlätta utvecklingen av nya polymer -nanostrukturer och nanoskala -enheter som ska användas inom en mängd olika områden.