Las gafas no lo son quizás sorprendentemente, técnicamente sólido en forma cristalizada, pero son sustancias congeladas en una estructura líquida. Quedan muchas preguntas fundamentales sobre cómo se forman exactamente las gafas, transición de líquido que fluye a vidrio sólido. Un factor central que los científicos de materiales estudian al explorar los fenómenos sobre el vidrio, como su formación, es la temperatura donde ocurre esto, la temperatura de transición vítrea.

Una colaboración internacional de físicos y químicos computacionales ha arrojado nueva luz sobre cómo la estructura del polímero soporta esta temperatura en la formación de vidrio en poliestireno atáctico (PS), una sustancia de vidrio de uso común. Su trabajo se informa esta semana en el Revista de física química , de AIP Publishing.

Alexey Lyulin, un físico en Technische Universiteit Eindhoven en los Países Bajos y miembro de la facultad visitante en la Universidad de Stanford, dirigió el trabajo realizando simulaciones procesadas por supercomputadora.

"La transición vítrea es en realidad un fenómeno misterioso, ", Dijo Lyulin." Todavía no se entiende completamente, incluso para líquidos muy simples ".

Y polímeros, Lyulin agrega, no son simples líquidos. Tienen moléculas similares a cadenas muy largas, y generalmente no cristalizan sino que forman amorfos, sólidos vidriosos. Este estado vítreo es importante para muchas aplicaciones como, por ejemplo, nanolitografía. La interfaz del polímero también es importante, ya que aquí es donde ocurren importantes mecánicas y transferencia de calor entre diferentes moléculas.

Lyulin y sus colegas observaron la transición vítrea del polímero en muestras a granel, pero estaban especialmente interesados ​​en películas delgadas de poliestireno. A nivel nano, estas películas son a menudo comparables a tener un espesor de molécula. Al estudiar la transición vítrea para polímeros a esta escala, Lyulin señaló que los investigadores quieren aprender sobre la dinámica relevante, así como la estructura.

"En nuestro periódico, estudiamos solo la estructura de poliestireno y lo que sucede con esta estructura en la transición vítrea cuando se pasa a muy delgado, películas de nanómetros de espesor, "Dijo Lyulin.

Señaló que los autores del artículo estaban familiarizados con la investigación experimental que indicaba en una delgada, película autoportante sin sustrato, la temperatura de transición del poliestireno es muy baja, en comparación con el poliestireno a granel, con una diferencia de unos sesenta grados centígrados.

"Es un efecto enorme, el mayor efecto que se observa en las películas de polímero, ", Dijo Lyulin." Y luego tratamos de entender por qué, qué tiene de específico el poliestireno ".

Los autores plantearon la hipótesis de que muchos de los anillos de benceno en la película de poliestireno se empujan hacia la periferia de la película, revelando un comportamiento interesante de estas interacciones de anillo, también llamadas interacciones aromáticas o pi-pi.

"Significa que las interacciones muy fuertes entre los anillos de benceno se debilitan de alguna manera dentro de la película, ", Dijo Lyulin." Y debido a este debilitamiento, la transición vítrea se produce a temperaturas más bajas ".

Diferentes grupos dentro del equipo de investigación probaron esta hipótesis con un enfoque múltiple. Un grupo preparó las muestras iniciales de películas, uno realizó simulaciones por computadora y otro grupo ayudó a analizar los resultados.

Lyulin dijo que el equipo también vio que la temperatura de transición estaba influenciada por las velocidades de enfriamiento del polímero. Probaron más de 100 películas de poliestireno de diferente estructura, espesor y a diferentes temperaturas, que tomó más de seis meses, y la velocidad de enfriamiento de la simulación por computadora fue mucho más rápida que en los experimentos.

Para Lyulin, la fuerte confirmación de su hipótesis algo sorprendente destaca que los hallazgos ofrecen conocimientos fundamentales sobre la estructura molecular de la película de poliestireno a medida que la sustancia vítrea se acerca a la transición.

"Estas interacciones aromáticas pi-pi juegan un papel muy, papel muy importante en este polímero específico y en cualquier polímero que contenga anillos aromáticos, "Lyulin dijo." Las interacciones pi-pi conducen a una orientación específica, ordenación de estos grupos aromáticos y luego a una estructura específica que tiene consecuencias muy importantes para este material vítreo ".

Lyulin agrega que esto parece ocurrir con otros materiales no poliméricos, como el grafeno actualmente popular, que tiene estas interacciones pi-pi entre sus anillos de carbono. Espera que él y sus colegas continúen esta línea de investigación y comparen los resultados con otros teóricos y experimentales.

"Sería muy interesante estudiar y comparar este efecto de forma dinámica, que pasa con la movilidad de estos anillos, cómo se relajan y qué sucede con la movilidad de otros segmentos de polímero al enfriarse en el sistema, ", Dijo Lyulin." Sería muy interesante comparar los valores de Tg (temperatura de transición) estáticos y dinámicos ".