Cuando los cristales fluyen: punto de fusión del polímero

Cuando los cristales fluyen: Punto de fusión del polímero: Los polímeros semicristalinos son sólidos que se supone que fluyen solo por encima de su temperatura de fusión. En un nuevo estudio publicado en Science Advances, Chien-Hua Tu y un equipo de investigación del Instituto Max Planck para la Investigación de Polímeros en Alemania y la Universidad de Ioannina Grecia confinaron cristales dentro de poros cilíndricos nanoscópicos para mostrar la naturaleza fluida de los polímeros semicristalinos debajo de su punto de fusión. punto, junto con un estado intermedio de viscosidad a los estados de fusión y cristal.

El proceso de capilaridad fue fuerte durante el fenómeno y arrastró las cadenas de polímero hacia los poros sin fundir el cristal. La mejora inesperada en el flujo facilitó las condiciones de procesamiento de polímeros aplicables a bajas temperaturas, adecuadas para su uso en electrónica orgánica.

Hace unos 2500 años, el filósofo Heráclito propuso que "todo fluye", y mientras que los cristales perfectos a temperatura cero no fluyen, los materiales cristalinos sí lo hacen en condiciones específicas. Por ejemplo, la investigación existente de hace unos 100 años mostró que el flujo de hierro fundido en forma de granos de metal que fluyen rodeados por una fina capa amorfa es análogo a un líquido subenfriado.

Usando simulaciones de dinámica molecular, los investigadores han confirmado las ideas para sugerir aún más la importancia del "fluido" de límite de grano complejo en la deformación plástica. Por ejemplo, se propone de manera similar que el núcleo interno de la Tierra retenga el hierro en un estado cristalino. Además, el núcleo de planetas como Neptuno y Urano está compuesto de agua cristalina superiónica y fluye para generar su campo magnético, lo que finalmente puede haber llevado a nuestra propia existencia.

Los materiales cristalinos que exhiben movilidades similares a las de los fluidos se conocen como "superiónicos" y son importantes para las aplicaciones energéticas. Los polímeros semicristalinos son sólidos que no fluyen en condiciones normales. En este trabajo, Tu y sus colegas mostraron cómo fluían incluso los polímeros semicristalinos. Para examinar el fenómeno, utilizaron dos polímeros semicristalinos; poli(óxido de etileno) y poli(ε-caprolactona) con características moleculares específicas. Los científicos de materiales desarrollaron plantillas de alúmina nanoporosa autoordenadas para el estudio, basadas en protocolos de literatura existentes.

Los científicos examinaron las propiedades termodinámicas, estructurales y reológicas de los materiales de óxido de polietileno a granel. Y los datos confirmaron que la película de material sobre la plantilla de alúmina estaba en un estado semicristalino. El equipo observó la organización del espaciado de dominios de las láminas cristalinas con dispersión de rayos X de ángulo pequeño. Utilizaron microscopía óptica polarizante para estudiar la superestructura del óxido de polietileno a granel con una película enfriada lentamente desde la fusión hasta la temperatura ambiente. Los resultados indicaron una única superestructura esferulítica para el óxido de polietileno, mientras que la dinámica estructural de la poli(ε-caprolactona) sintetizada con un catalizador fue diferente.

El equipo de investigación llevó a cabo una imbibición (absorción de agua que conduce a la hinchazón de los materiales) durante 28 días de los dos materiales poliméricos dentro de plantillas de óxido de aluminio anódico y observó las muestras con microscopía electrónica de barrido y microscopía de fuerza atómica para caracterizarlas. En contraste con la apariencia relativamente suave del óxido de polietileno, los materiales de poli(ε-caprolactona) mostraron abundantes estructuras granulares debido a diversos orígenes morfológicos en la difusión intracristalina. Después de estudiar el aspecto superficial de los materiales, los investigadores realizaron microscopía nanoinfrarroja para obtener imágenes adicionales de la topografía superficial de los dos materiales. Los resultados mostraron claramente la naturaleza semicristalina del óxido de polietileno. También abordaron la posibilidad de que la fuerza capilar en la configuración experimental sea lo suficientemente alta como para derretir los cristales durante el flujo y notaron que la viscosidad de los polímeros semicristalinos se reduce durante los experimentos.

Los mecanismos de absorción de fluidos e hinchamiento de materiales conocidos como imbibición desde el estado semicristalino se basan en la dinámica de sus dominios cristalino y amorfo. Cuatro procesos actuaron sobre las regiones amorfa y cristalina; la relajación segmentaria gobernó la dinámica en el dominio amorfo, mientras que otros tres procesos afectaron el dominio cristalino para demostrar la difusión de cadena intracristalina para polímeros móviles como el óxido de polietileno.

Dado que la imbibición de cristales también implicaba la difusión de cristalitos completos, Tu y el equipo examinaron la influencia de la masa molar de los polímeros en el proceso de imbibición. Los resultados mostraron que la masa molar regulaba la velocidad de imbibición.

De esta manera, Chien-Hua Tu y sus colegas utilizaron varios métodos de imagen en la ciencia de los materiales, como microscopía electrónica de barrido, microscopía de fuerza atómica y resultados nanoinfrarrojos para examinar cómo los polímeros semicristalinos fluían dentro de los nanoporos hechos de óxido de aluminio anódico a través de la acción capilar. . Midieron el comportamiento viscoelástico de los polímeros con un reómetro de cizalla y la acción capilar parecía impulsar el proceso de adsorción del polímero.

Si bien la imbibición exitosa fue un proceso relativamente lento, la fuerza capilar fue lo suficientemente fuerte como para arrastrar cristalitos de polímero a los nanoporos sin derretir los cristales. El aumento inesperado en el flujo mientras se conservan los cristalitos de polímero aplicado al procesamiento de polímeros a bajas temperaturas. Dicho fenómeno puede conducir al flujo en frío y la posterior unión de polímeros a la cerámica o al metal en condiciones específicas para evitar la degradación del polímero. Tales polímeros semicristalinos y materiales ferroeléctricos tienen una variedad de aplicaciones en electrónica orgánica para afectar sus propiedades electrónicas y físicas.

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