Los polímeros se utilizan para innumerables aplicaciones en la actualidad, y quizás la propiedad más importante que dicta qué polímero se elige para una aplicación dada es su "temperatura de transición vítrea". Muchos polímeros industriales poseen una estructura molecular irregular que les impide cristalizar. A medida que un material polimérico se enfría desde una temperatura alta por encima de su temperatura de transición vítrea, se transforma de líquido a vidrio cuando se alcanza la temperatura de transición.

Mientras que un material polimérico tiene un amorfo, estructura líquida en su estado vítreo, la movilidad de las moléculas es tan baja que están esencialmente congeladas. Tantos plásticos duros son De hecho, vidrioso. Poliestireno, por ejemplo, tiene una temperatura de transición vítrea de aproximadamente 100 ° C; a temperatura ambiente, se comporta como un material sólido. Pero a medida que su temperatura se acerca a la temperatura de transición vítrea, Las propiedades mecánicas del poliestireno cambian drásticamente.

Esto hace que la capacidad de aproximar las transiciones de vidrio para geometrías confinadas en polímeros sea muy deseable. Y ahora, como un grupo de investigadores de la Universidad de Nuevo México y del Instituto de Minería y Tecnología de Nuevo México informan en la edición de esta semana del Revista de física química , han desarrollado una fórmula sencilla para hacer precisamente eso.

"Con el desarrollo de la nanotecnología, Los polímeros han encontrado muchas aplicaciones que requieren su uso en 'geometrías confinadas' como canales estrechos, poros pequeños, y películas delgadas, "explicó el coautor del estudio, John Curro, profesor adjunto del Instituto de Minería y Tecnología de Nuevo México

Durante los últimos 20 años, Los experimentos han demostrado que cuando los polímeros se utilizan en una geometría confinada, su transición vítrea "no es necesariamente la misma que para el correspondiente polímero 'no confinado' o a granel, "Dijo Curro." Suele bajar, como es el caso de las películas autoportantes con dos superficies libres, pero también puede aumentar para líquidos contra sustratos que atraen fuertemente ".

El cambio en la transición vítrea depende sensiblemente del grosor de la película:cuanto más fina es la película, mayor es el efecto. "Este cambio puede ser extraordinariamente grande, "Dijo Curro." Por ejemplo, la temperatura de transición vítrea de una película de poliestireno de 20 nanómetros se ha medido hasta 70 ° C más baja que la del poliestireno a granel. Claramente, esta fina película de poliestireno ya no es un material plástico duro ".

En cuanto a posibles aplicaciones, "el hecho de que las propiedades de los polímeros en geometrías confinadas sean diferentes que a granel podría tener importantes implicaciones para la fotolitografía, nanocompuestos, micromáquinas, y dispositivos de laboratorio en un chip, "Dijo Curro.

Entonces, ¿por qué la transición vítrea de un polímero confinado es diferente a la de su correspondiente material a granel?

"Presumimos que se debe a un efecto de densidad, ", Dijo Curro." En un líquido a granel no confinado, la densidad es constante en toda la muestra. Por el contrario, la densidad de moléculas de un líquido confinado no es uniforme debido a las limitaciones impuestas por la geometría ".

La densidad de una película independiente, por ejemplo, es esencialmente cero en las dos superficies, pero aumenta hasta cerca de la densidad aparente dentro del centro. "Dado que la temperatura de transición vítrea depende en gran medida de la densidad, esperamos que la temperatura de transición vítrea local también varíe a lo largo de la película, ", Dijo Curro." En un experimento de laboratorio, la temperatura de transición vítrea medida representa la respuesta promedio del material dentro de la película. La densidad promedio de una película independiente es generalmente diferente a su densidad aparente, y se deduce que las temperaturas de transición vítrea también serán diferentes ".

Entonces, el grupo exploró si la temperatura de transición vítrea de un líquido confinado sería la misma que la de un polímero a granel hipotético, no a su densidad aparente normal, sino más bien a una densidad igual a la densidad media del polímero confinado.

Para ponerlo a prueba, querían medir tanto el perfil de densidad como la temperatura del vidrio en la misma película delgada. Tales mediciones serían difíciles de realizar en el laboratorio.

"Nuestro enfoque fue utilizar simulaciones por computadora de 'dinámica molecular' para estudiar películas líquidas delgadas que consisten en moléculas de cadena corta, ", Dijo Curro." También realizamos simulaciones por computadora del sistema de volumen correspondiente. Esto nos permitió comparar las temperaturas de transición vítrea de películas delgadas de varios espesores con la temperatura de transición vítrea en el mismo modelo de cadenas ".

Para la eficiencia computacional, el grupo utilizó un modelo idealizado de perlas y resortes de 10 perlas para representar las moléculas. Al hacerlo, ellos "establecieron una conexión entre las temperaturas de transición vítrea de un polímero en una geometría restringida y el polímero a granel correspondiente, ", Dijo Curro." Esto nos permitió desarrollar una fórmula simple para estimar la transición vítrea de un líquido confinado a partir de la temperatura de transición vítrea a granel y un conocimiento del perfil de densidad del sistema confinado ".

También es importante tener en cuenta que los resultados del grupo solo se aplican a polímeros de bajo peso molecular y vidrios de moléculas pequeñas.

"Los efectos sutiles del peso molecular se observan experimentalmente a pesos moleculares altos cuando el tamaño medio de la cadena es comparable al espesor de la película, por lo que el alto peso molecular será un tema de futuras investigaciones, "Dijo Curro.