Физики из России раскрыли тайны устройства многих полимеров
Ученые из МФТИ, МГУ и Франции раскрыли принципы, управляющие формированием многих популярных полимеров, что поможет сделать их более стойкими к повреждениям. Кадры их "видеосъемок" и результаты опытов представлены в журнале ACS Macro Letters.
"Структуру частично-кристаллических полимеров крайне сложно описать, так как эти материалы находятся в метастабильном состоянии. Это связано с тем, что они похожи на мозаику из нано-кристаллов и аморфных зон, чья структура может сильно меняться при нагреве материала. Поэтому часто вместо свойств оригинального полимера мы изучаем то, что случайным образом возникло во время опытов", - пишут Дмитрий Иванов, профессор МФТИ, и его коллеги.
Полимеры давно стали самыми "массовыми" и самыми распространенными видами строительных и конструкционных материалов на Земле. Их популярность во многом обусловлена тем, что их механические и физические свойства можно гибко менять, варьируя те условия, в которых "варится" материал, создавая из одного и того же сырья гибкие резинки и высокопрочные пластиковые конструкции.
Несмотря на то, что свойства этих полимеров хорошо изучены, ученые до сих пор не до конца понимают, как именно строение их молекул и процесс формирования влияет на механические свойства. По этой причине химики создают новые материалы на их базе фактически "вслепую", двигаясь методом проб и ошибок.
Иванов и его команда сделали большой шаг к решению этой проблемы, выяснив, почему традиционные методики термического анализа свойств полимеров далеко не всегда дают однозначные и непротиворечивые результаты.
Российские физики и их коллеги из Франции показали, что все изменения в структуре полимеров, возникающие при их нагреве можно отслеживать и отличать от "обычного" теплового расширения материала, используя рентгеновские излучатели.
Они проверили работу этой методики, изучив свойства политриметилен терефталата (PTT), одного из популярных полимеров, используемых сегодня при производстве высококачественных синтетических тканей и различных нейрохирургических приспособлений.
Используя сверхбыстрые детекторы рентгеновских волн и камеры, получающие новую картинку каждую миллисекунду, Иванов и его коллеги смогли проследить за тем, как менялась структура материала при нагреве, и что происходило с его молекулярной структурой.
Оказалось, что PTT реагирует на быстрый и медленный нагрев совершенно разным образом даже в том случае, если итоговая температура будет одинаковой. В частности, ученые обнаружили, что при быстром росте температуры его структура не менялась, что было характерно для медленной "прожарки".
Это, как отмечают физики, говорит о том, что частично-кристаллические полимеры обладают сразу несколькими точками плавления из-за сложного термодинамического поведения, а не изменений в структуре.
В ближайшее время Иванов и его коллеги планируют проверить подобным образом и другие полимерные соединения, широко применяемые в быту, науке и промышленности.
