Från fotonik till läkemedel, material tillverkade av polymera nanopartiklar lovar framtidens produkter. Dock, det finns fortfarande luckor i att förstå egenskaperna hos dessa små plastliknande partiklar.

Nu, Hojin Kim, en doktorand i kemisk och biomolekylär teknik vid University of Delaware, tillsammans med ett team av samarbetande forskare vid Max Planck Institute for Polymer Research i Tyskland, Princeton University och University of Trento, har avslöjat nya insikter om polymernanopartiklar. Teamets resultat, inklusive egenskaper som ytrörlighet, glasövergångstemperatur och elasticitetsmodul, publicerades i Naturkommunikation .

Under ledning av MPI-professor George Fytas, laget använde Brillouin ljusspektroskopi, en teknik som förklarar mikroskopiska nanopartiklars molekylära egenskaper genom att undersöka hur de vibrerar.

"Vi analyserade vibrationen mellan varje nanopartikel för att förstå hur deras mekaniska egenskaper förändras vid olika temperaturer, " sa Kim. "Vi frågade, 'Vad indikerar en vibration vid olika temperaturer? Vad betyder det rent fysiskt? "

Polymernanopartiklarnas egenskaper skiljer sig från de hos större partiklar av samma material. "Deras nanostruktur och ringa storlek ger olika mekaniska egenskaper, " sa Kim. "Det är verkligen viktigt att förstå det termiska beteendet hos nanopartiklar för att förbättra prestandan hos ett material."

Ta polystyren, ett material som vanligtvis används inom nanoteknik. Större partiklar av detta material används i plastflaskor, koppar och förpackningsmaterial.

"Polymernanopartiklar kan vara mer flexibla eller svagare vid glasövergångstemperaturen vid vilken de mjuknar från en styv textur till en mjuk, och den minskar när partikelstorleken minskar, " sa Kim. Det beror delvis på att polymerrörlighet vid små partikelyta lätt kan aktiveras. Det är viktigt att veta när och varför denna övergång sker, eftersom vissa produkter, såsom filtermembran, behöver förbli stark när de utsätts för en mängd olika förhållanden.

Till exempel, en engångsplastmugg gjord av polymeren polystyren kan hålla i kokande vatten - men den koppen har inga nanopartiklar. Forskargruppen fann att nanopartiklar av polystyren börjar uppleva den termiska övergången vid 343 Kelvin (158 grader F), känd som mjukningstemperaturen, under en glastemperatur på 372 K (210 F) för nanopartiklarna, strax under temperaturen på kokande vatten. När den värms upp till denna punkt, nanopartiklarna vibrerar inte – de står helt stilla.

Detta hade inte setts förut, och teamet hittade bevis som tyder på att denna temperatur kan aktivera ett mycket rörligt ytskikt i nanopartikeln, sa Kim. När partiklarna värms upp mellan deras mjukningstemperatur och glasövergångstemperatur, partiklarna samverkade mer och mer med varandra. Andra forskargrupper har tidigare misstänkt att glasövergångstemperaturen sjunker med minskad partikelstorlek på grund av skillnader i partikelrörlighet, men de kunde inte observera det direkt.

"Med hjälp av olika metoder och instrument, vi analyserade våra data vid olika temperaturer och faktiskt verifierade att det finns något på polymernanopartikelns yta som är mer rörligt jämfört med dess kärna, " han sa.

Genom att studera interaktioner mellan nanopartiklar, teamet upptäckte också sin elasticitetsmodul, eller stelhet.

Nästa, Kim planerar att använda denna information för att bygga en nanopartikelfilm som kan styra utbredningen av ljudvågor.

Eric Furst, professor och ordförande vid Institutionen för kemi- och biomolekylär teknik vid UD, är också motsvarande författare på tidningen.

"Hojin tog ledningen för det här projektet och uppnådde resultat utöver vad jag hade kunnat förutse, ", sa Furst. "Han exemplifierar excellens i doktorandingenjörsforskning vid Delaware, och jag kan inte vänta på att se vad han gör härnäst."