Quando i cristalli scorrono: punto di fusione del polimero

Quando i cristalli scorrono: punto di fusione del polimero: i polimeri semicristallini sono solidi che si presume fluiscano solo al di sopra della loro temperatura di fusione. In un nuovo studio pubblicato su Science Advances, Chien-Hua Tu e un gruppo di ricerca dell’Istituto Max Planck per la ricerca sui polimeri in Germania e dell’Università di Ioannina in Grecia hanno confinato i cristalli all’interno di pori cilindrici nanoscopici per mostrare la natura fluida dei polimeri semicristallini al di sotto della loro fusione. punto, insieme ad uno stato intermedio di viscosità rispetto agli stati fuso e cristallino.

Il processo capillare è stato intenso durante il fenomeno e ha trascinato le catene polimeriche nei pori senza sciogliere il cristallo. Il miglioramento inaspettato del flusso ha facilitato le condizioni di lavorazione dei polimeri applicabili alle basse temperature, adatte per l'uso nell'elettronica organica.

Circa 2.500 anni fa, il filosofo Eraclito propose che "tutto scorre" e mentre i cristalli perfetti a temperatura zero non fluiscono, i materiali cristallini fluiscono in condizioni specifiche. Ad esempio, la ricerca esistente di circa 100 anni fa ha dimostrato che il flusso di ghisa sotto forma di grani metallici fluenti circondati da un sottile strato amorfo è analogo a un liquido sottoraffreddato.

Utilizzando simulazioni di dinamica molecolare, i ricercatori hanno confermato le idee per suggerire ulteriormente il significato del complesso "fluido" del confine dei grani sulla deformazione plastica. Ad esempio, si propone similmente che il nucleo interno della Terra trattenga il ferro in uno stato cristallino. Inoltre, il nucleo di pianeti come Nettuno e Urano è composto da acqua cristallina superionica e fluisce per generare il loro campo magnetico, che alla fine potrebbe aver portato alla nostra esistenza.

I materiali cristallini che mostrano mobilità simili a fluidi sono noti come "superionici" e sono importanti per le applicazioni energetiche. I polimeri semicristallini sono solidi che non fluiscono in condizioni normali. In questo lavoro, Tu e colleghi hanno mostrato come anche i polimeri semicristallini subiscano un flusso. Per esaminare il fenomeno hanno utilizzato due polimeri semicristallini; poli (ossido di etilene) e poli (ε-caprolattone) con caratteristiche molecolari specifiche. Gli scienziati dei materiali hanno sviluppato modelli di allumina nanoporosa autoordinati per lo studio, sulla base dei protocolli della letteratura esistente.

Gli scienziati hanno esaminato le proprietà termodinamiche, strutturali e reologiche dei materiali sfusi di ossido di polietilene. E i dati hanno confermato che la pellicola di materiale sul modello di allumina è in uno stato semicristallino. Il team ha osservato l’organizzazione della spaziatura tra i domini delle lamelle cristalline con la diffusione dei raggi X a piccolo angolo. Hanno utilizzato la microscopia ottica polarizzante per studiare la sovrastruttura dell'ossido di polietilene sfuso con una pellicola raffreddata lentamente dalla temperatura di fusione alla temperatura ambiente. I risultati hanno indicato un'unica sovrastruttura sferulitica per il polietilene ossido, mentre le dinamiche strutturali del poli(ε-caprolattone) sintetizzato con un catalizzatore differivano.

Il gruppo di ricerca ha effettuato un’imbibizione di 28 giorni (assorbimento di acqua che porta al rigonfiamento dei materiali) dei due materiali polimerici all’interno di modelli di ossido di alluminio anodico e ha osservato i campioni con la microscopia elettronica a scansione e la microscopia a forza atomica per caratterizzarli. In contrasto con l'aspetto relativamente liscio dell'ossido di polietilene, i materiali di poli(ε-caprolattone) mostravano abbondanti strutture di grano dovute alle diverse origini morfologiche nella diffusione intracristallina. Dopo aver studiato l'aspetto superficiale dei materiali, i ricercatori hanno eseguito la microscopia ai nanoinfrarossi per ottenere ulteriori immagini della topografia superficiale dei due materiali. I risultati hanno mostrato chiaramente la natura semicristallina dell'ossido di polietilene. Hanno inoltre valutato la possibilità che la forza capillare nell'impianto sperimentale fosse sufficientemente elevata da fondere i cristalli durante il flusso e hanno notato che la viscosità dei polimeri semicristallini veniva ridotta durante gli esperimenti.

I meccanismi di assorbimento dei fluidi e di rigonfiamento dei materiali, noti come imbibizione dallo stato semicristallino, si basavano sulla dinamica dei suoi domini cristallini e amorfi. Quattro processi agivano sulle regioni amorfe e cristalline; il rilassamento segmentale governava la dinamica nel dominio amorfo, mentre altri tre processi influenzavano il dominio cristallino per dimostrare la diffusione della catena intracristallina per polimeri cristallini come l'ossido di polietilene.