22.11.2018
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.
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.
20 октября
Александр Березин

Новая работа в авторитетном научном журнале показала, что за восемь месяцев титр антител от мРНК-вакцин падает в десятки раз, а от векторной — на том же аденовирусе, что «Спутник-лайт» — почти не уменьшается вовсе. На сегодня ясно, что снижение уровня антител — главная причина падения защиты от Pfizer с 90% до 47% за полгода. Значит ли это, что страны, поставившие на аденовирусно-векторные вакцины, сделали лучший выбор? И за счет чего они могли опередить такую вроде бы революционную вакцинную платформу, как мРНК? Наконец: действительно ли «Спутник» может повысить риск заражения ВИЧ, как это утверждают медицинские власти ЮАР?

Сегодня, 12:32
Алиса Гаджиева

Археологи обнаружили доказательства того, что доисторическое строение возрастом в 11 тысяч лет использовали для церемониальных действий, а потом преднамеренно засыпали землей.

Позавчера, 16:51
Мария Осетрова

Не претендуя на абсолютную точность, новая численная оценка открывает дополнительные возможности для экспериментальной проверки.

18 октября
Елена Синицкая

На днях израильский ныряльщик обнаружил на дне Средиземного моря у Хоф-ха-Кармель древние предметы, среди которых оказался меч удивительной сохранности. По мнению специалистов Израильского управления древностей, железный меч с клинком около одного метра и 30-сантиметровой рукоятью принадлежал крестоносцу и датируется XII веком.

19 октября
Илья Ведмеденко

В КНР испытали монолитный твердотопливный ракетный двигатель, имеющий самую большую тягу в мире. Разработка изделия важна для создания ракет тяжелого класса.

20 октября
Александр Березин

Новая работа в авторитетном научном журнале показала, что за восемь месяцев титр антител от мРНК-вакцин падает в десятки раз, а от векторной — на том же аденовирусе, что «Спутник-лайт» — почти не уменьшается вовсе. На сегодня ясно, что снижение уровня антител — главная причина падения защиты от Pfizer с 90% до 47% за полгода. Значит ли это, что страны, поставившие на аденовирусно-векторные вакцины, сделали лучший выбор? И за счет чего они могли опередить такую вроде бы революционную вакцинную платформу, как мРНК? Наконец: действительно ли «Спутник» может повысить риск заражения ВИЧ, как это утверждают медицинские власти ЮАР?

13 октября
Мария Азарова

Анализ образцов крови, взятых у российских космонавтов до и после их полета на МКС, показал, что длительное пребывание в космосе может провоцировать повреждение мозга.

12 октября
Алиса Гаджиева

Две тысячи лет назад многие сооружения строили лучше, чем сегодня.

27 сентября
Мария Азарова

Новое исследование генетиков из Германии и Италии, похоже, помогло найти ответ на вопрос, который занимал ученых свыше двух тысяч лет: откуда взялись этруски?

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: