Неуловимые полимеры засняли на «камеру» — Naked Science
11 минут
ФизТех

Неуловимые полимеры засняли на «камеру»

4.1

Ученые разработали комбинированный термоаналитический и рентгеноструктурный эксперимент для изучения частично кристаллических полимеров.

Неуловимые полимеры засняли на «камеру» / ©samorealization.ru

Физики из МФТИ и МГУ разработали комбинированный термоаналитический и рентгеноструктурный эксперимент для изучения частично кристаллических полимеров. Этот вид полимеров производится в объемах, превышающих 100 миллионов тонн в год, и имеет множество различных применений — начиная от тканей и упаковочных материалов до протезов в нейрохирургии.

Знать больше о структуре и поведении данных полимеров необходимо, чтобы научиться синтезировать материалы, которые не подведут даже в экстремальных условиях и специфических задачах. Результаты опубликованы в журнале ACS Macro Letters и, в силу их важности, помещены на обложку.

О некоторых свойствах материала, например теплоемкости (способности запасать тепло), можно узнать, наблюдая, как он себя ведет при изменяющейся температуре. Этот принцип лежит в основе набора методик для исследования материалов под общим названием «термический анализ».

Ученые обнаружили, что термический анализ, который является на сегодня одним из самых распространенных и важных методов, может давать ошибочные результаты при исследовании частично кристаллических полимеров. Для нахождения и исправления неверной информации о материале физики не только усовершенствовали основной инструмент эксперимента — калориметр, — но и дополнили исследование попутными рентген-фотографиями структуры образца.

При проведении термоаналитического эксперимента существует опасность, что в процессе нагрева сама структура образца будет неконтролируемо меняться, в итоге окажется, что изучался не исходный материал, а его неконтролируемые модификации. Это особенно относится к частично кристаллическим полимерам — материалам, чья метастабильная структура не просто чувствительна к температуре, но и зависит от термической истории образца.

Особенность структуры частично кристаллических полимеров в том, что длинная полимерная цепочка то сложена в аккуратные складки (кристаллические ламели), то извивается в беспорядке — там, где кристаллические участки перемежаются с аморфными.

Установка, на которой проводился эксперимент, — сконструированный исследователями сверхбыстрый нанокалориметр, скомбинированный с рентгеновским дифрактометром, включающим синхротронный источник излучения и сверхбыстрый рентгеновский детектор / Фото предоставлено авторами исследования
Установка, на которой проводился эксперимент, — сконструированный исследователями сверхбыстрый нанокалориметр, скомбинированный с рентгеновским дифрактометром, включающим синхротронный источник излучения и сверхбыстрый рентгеновский детектор / Фото предоставлено авторами исследования

Эта структура способна вести себя сложным образом при изменении температуры, в том числе может наблюдаться не одна, а несколько точек плавления. И непонятно, действительно ли это дает повод говорить о сложном термодинамическом поведении или же на самом деле это следствие реорганизации структуры полимера. Кроме того, это обстоятельство бросает тень на уже полученные результаты термического анализа полимеров — не известно, изменялась ли структура во время экспериментов.

Исследователям удалось показать, каким образом эта неопределенность может быть исключена. Был разработан комбинированный термоаналитический и рентгеноструктурный эксперимент для изучения частично кристаллических полимеров. Оказалось, критический параметр — скорость нагрева, а для того, чтобы не допустить структурных изменений образца во время термоаналитического эксперимента, температура должна меняться быстрее, чем происходит реорганизация структуры полимера.

Стоит отметить, что такая критическая скорость нагрева зависит от температуры, при которой полимер был закристаллизован.

Дмитрий Иванов, профессор, заведующий лабораторией функциональных органических и гибридных материалов МФТИ, директор исследований Национального центра научных исследований Франции и соавтор работы, прокомментировал: «Мы показываем, что очень часто результаты этого метода (термического анализа) могут вводить исследователей в заблуждение, так как они оказываются зависимыми от выбора условий эксперимента. Для того чтобы не попасть в эту ловушку, необходимо сочетать термический анализ со структурным методом, таким как, например, рентгеноструктурный анализ».

Ученые исследовали наличие структурной реорганизации для типичного полимера PTT (политриметилен терефталата), закристаллизованного, например, при 150 °C. Оказалось, если нагрев происходит со скоростью 500 градусов в секунду и выше, структура не успевает перестроиться, чего нельзя было сказать об относительно медленном нагреве со скоростью один градус в секунду.

Этого результата исследователям позволила добиться усовершенствованная калориметрическая техника: во-первых, использовался сконструированный авторами сверхбыстрый нанокалориметр, позволивший работать с такими стремительными изменениями температуры.

Во-вторых, установка была скомбинирована с рентгеновским дифрактометром, сочетающим синхротронный источник излучения и сверхбыстрый рентгеновский детектор, способный улавливать отдельные фотоны, — при помощи него экспериментаторы контролировали изменения в структуре материала с миллисекундной точностью.

В результате удалось продемонстрировать, что наличие множества точек плавления у частично-кристаллических полимеров действительно может быть связано со сложной термодинамикой, а не с изменениями в структуре, так как подобное поведение наблюдалось при различных скоростях нагрева.

Также исследователи определили границы применения распространенной аналитической техники и указали ее слабое место, а именно — недостаточность информации о строении материала во время опыта. Усовершенствованная постановка эксперимента должна помочь другим исследователям получить более точное представление о поведении и свойствах важного класса веществ — частично кристаллических полимеров.

В работе принимали участие ученые из МФТИ, МГУ, Европейского центра синхротронного излучения (ESRF), а также Национального центра научных исследований Франции (CNRS).

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
ФизТех
186 статей
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
Вчера, 23:18
5 минут
Мария Кривоченко

Исследователи выяснили, что любовь малышей к телевизору зависит от их темперамента. Реакции, которые протекают в мозге детей младше года, позволяют предсказать, насколько им понравится просмотр программ и как быстро они усваивают информацию из них.

1 час назад
31 минута
Редакция

Трагическая новость о взрыве огромной силы в Бейруте, занявшая первые строчки новостных ресурсов, вызывает естественные вопросы: как это могло произойти, что там взорвалось, в силу каких факторов возможны подобные происшествия? Чтобы разобраться, взглянем пристальнее на свойства аммиачной селитры и связанные с ней опасные моменты.

Вчера, 15:32
5 минут
Мария Кривоченко

Исследование ученых из США показало, что повышение температуры и накопление парниковых газов повлияли на деревья: они стали быстрее расти и поглощать больше углекислого газа. Специалисты считают, что количество лесов в ближайшие десятилетия будет увеличиваться, но экстремальная экологическая обстановка может нарушить этот процесс.

3 августа
5 минут
Сергей Васильев

Микроскоп с высокоскоростной камерой и компьютерное моделирование показали, что сперматозоиды плавают не за счет боковых движений хвоста, а быстро вращаясь всем телом.

2 августа
2 минуты
Илья Ведмеденко

Сегодня, в 20:00 (мск), должен состояться 150-метровый «прыжок» демонстратора технологий космического корабля Starship. Трансляцию вы сможете посмотреть на нашем сайте.

2 августа
35 минут
Александр Березин

На планете разворачивается новая лунная гонка. Российская космическая отрасль пытается обозначить участие в ней, патентуя многопусковой полет к спутнику Земли. Очевидно, что это лишь суррогат сверхтяжелых ракет, которых мы пока не строим. США, напротив, активно разрабатывают сразу два сверхтяжа – но и там не все гладко. Их лунная программа может испытать сильнейший удар в ближайший год. Скептики считают, что усилия всех участников гонки бесполезны. Мол, пилотируемые полеты к другим небесным телам не нужны, ибо дороги. Автоматы смогут все сделать намного дешевле. На деле лунная программа, как мы покажем ниже, не дороже полетов к МКС. Да и автоматы не дадут нам ничего подобного результатам пилотируемой лунной экспедиции. Попробуем разобраться почему.

6 июля
5 минут
Мария Азарова

Ученые, работающие с крупнейшим в мире радиотелескопом, сообщили об обнаружении эмиссии нейтрального водорода, исходящей от объектов за пределами нашей Галактики.

22 июля
66 минут
Александр Березин

С 2064 года численность людей начнет сокращаться — и этот процесс может быть необратим. Один из авторов соответствующей научной работы прямо указывает: если ничего не изменится, через несколько веков человечество вымрет. Однако есть вещи и похуже вымирания. Куда вероятнее иной сценарий: мир будет заселен теми, кто сможет размножаться в новых культурных условиях. К сожалению, значительная часть современных европейцев, американцев и, возможно, других народов будут вытеснены с первых страниц истории. Вдобавок те, кто победят в этой непростой борьбе, нам, сегодняшнему населению Земли, могут сильно не понравиться. Попробуем разобраться почему.

10 июля
7 минут
Мария Кривоченко

Биологи выяснили, какое воздействие оказывают радиоволны на эмбрионы рыб. Оказалось, они существенно не влияют на уровень смертности, морфологию и реакцию на свет, но немного подавляют сенсомоторные функции. Как это скажется на взрослых особях, еще предстоит выяснить.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Лучшие материалы
Предстоящие мероприятия
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: