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
212 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.
28 февраля
75 минут
Редакция

Наверное, еще с того момента, как первые наши прапрапредки обрели сознание, человек боялся смерти и искал пути ее предотвратить или отсрочить. Древний человек жаждал утешения в представлениях о загробном мире, позже алхимики пытались изобрести зелья, которые помогли бы достичь бессмертия. С развитием науки ученые стремились понять, как работает наша смертность на клеточном уровне и еще глубже – и можно ли серьезно изменить отмеренный человеку век. Именно о теломерах часто говорят как о некоем секрете долголетия, том самом волшебном рычаге в ДНК, который может прибавить один-два десятка лет к нашей жизни. Так ли это?

Сегодня, 08:54
8 минут
Мария Азарова

Хотите увидеть ожившего Шекспира или подмигивающую вам госпожу Лизу дель Джокондо? С немного пугающей всех нас технологией deepfake это можно сделать всего за пару минут.

28 февраля
4 минуты
Мария Азарова

Айсберг по своим размерам почти в два раза превышает площадь Нью-Йорка. Хотя рекордсменом его и не назовешь (летом 2017 года от ледника Ларсена откололся действительно гигантский айсберг A68), ученые планируют продолжать наблюдения.

26 февраля
10 минут
Василий Парфенов

Даже при разработке точнейших научных инструментов случаются разные технические сюрпризы — и хорошо, если приятные. К счастью, именно так вышло на этот раз. Ученые получили очередную порцию данных с космического аппарата Parker Solar Probe и здорово удивились. На сделанном в оптическом диапазоне снимке ночной стороны Венеры видны детали поверхности, обычно скрытые плотными облаками. Теперь предстоит решить загадку: либо камера оказалась чувствительна к инфракрасному диапазону излучения, либо случайно обнаружилось «окно» для наблюдений через атмосферу этой планеты.

23 февраля
4 минуты
Виктория Сафронова

Звук — шум от передвижения марсохода — записан одним из его микрофонов.

24 февраля
10 минут
Мария Азарова

Ученые провели анализ по 353 профессиям и оценили, насколько различия в статусе потребления алкоголя можно объяснить родом занятий.

21 февраля
20 минут
Василий Парфенов

Кого и что только ни успели уже обвинить в технологической катастрофе, которая произошла на этой неделе в США. Но эмоции плавно оседают, и начинают появляться первые результаты разбирательства. А они порой вызывают искреннее недоумение, честно говоря.

2 февраля
44 минуты
Александр Березин

В научном журнале The Lancet появились итоги клинических испытаний «Спутника-V», и на первый взгляд эта публикация — триумф. Российская вакцина показала эффективность выше, чем у Pfizer и Moderna. Увы, на этом хорошие новости закончились. Плохих две.

26 февраля
10 минут
Василий Парфенов

Даже при разработке точнейших научных инструментов случаются разные технические сюрпризы — и хорошо, если приятные. К счастью, именно так вышло на этот раз. Ученые получили очередную порцию данных с космического аппарата Parker Solar Probe и здорово удивились. На сделанном в оптическом диапазоне снимке ночной стороны Венеры видны детали поверхности, обычно скрытые плотными облаками. Теперь предстоит решить загадку: либо камера оказалась чувствительна к инфракрасному диапазону излучения, либо случайно обнаружилось «окно» для наблюдений через атмосферу этой планеты.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

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

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: