Configuración esquemática de los experimentos del marcador XPCS. El uso de la dispersión de rayos X mejorada por resonancia para XPCS permite intensificar, en más de un orden de magnitud, el campo eléctrico de sondeo en las regiones de interés dentro de películas de polímero de un solo nanómetro.
(PhysOrg.com) - El desarrollo de nanoestructuras poliméricas y dispositivos a nanoescala para una amplia variedad de aplicaciones podría surgir a partir de nueva información sobre la interacción entre interfaces a nanoescala en materiales poliméricos, gracias a la investigación llevada a cabo en la Fuente de Fotones Avanzados (APS) de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de EE. UU. en el Laboratorio Nacional Argonne.
Es bien sabido que las propiedades físicas y mecánicas de los materiales poliméricos confinados en la nanoescala difieren sustancialmente de la masa. el llamado efecto "nanoconfinamiento". Los materiales poliméricos comprenden un compuesto o mezcla de compuestos formados por polimerización y que consisten esencialmente en unidades estructurales repetidas, preparado sobre sustratos sólidos impenetrables. En la actualidad existe una creciente evidencia de que la interfaz aire / polímero y la interfaz polímero / sustrato juegan un papel crucial en tales efectos de nanoconfinamiento:En la interfaz aire / polímero, existe una capa móvil superficial que mejora la dinámica de la cadena, mientras que una capa adsorbida inmóvil formada sobre sustratos sólidos sin interacciones específicas de un polímero (como apilamiento π-π o enlaces de hidrógeno) reduce la dinámica. Aunque la mayoría de los trabajos anteriores han revelado las desviaciones de las cantidades "medias" de películas nanométricas completas con respecto a la masa, Se espera que las cantidades locales dentro de la película sean diferentes de las medias, dependiendo de la interacción entre estas interfaces. Fue esta pregunta sin respuesta, tanto teórica como experimentalmente, la que motivó el presente estudio.
Para comprender hasta qué punto estos efectos interfaciales se propagan al interior de la película y determinar la propiedad reológica de los materiales poliméricos en función de la distancia desde las interfaces, Investigadores de la Universidad de Stony Brook y Argonne utilizaron la línea de luz 8-ID de la División de Ciencias de Rayos X en el APS para aplicar espectroscopía de correlación de fotones de rayos X (XPCS) a películas de poliestireno (PS) con un sistema integrado de nanopartículas de oro que actúan como marcadores. Con esta novedosa técnica, los investigadores encontraron que la deriva aleatoria (el movimiento browniano) de los marcadores rastreaba adecuadamente la viscosidad local, que controla el flujo y las propiedades mecánicas de los materiales poliméricos, gobernado por enredos de cadenas. Además, el uso de los dos modos de iluminación con diferentes ángulos de incidencia para XPCS les permitió explorar in situ la dinámica del marcador en la superficie superior y la región cercana al centro de la película de forma independiente.
Como resultado, descubrieron que la viscosidad de la superficie superior (~ 10 nm de profundidad) en las películas de PS (~ 100 nm de espesor) es aproximadamente un 30% más baja que la del centro de la película. Es más, Los resultados de XPCS concluyen el debate de larga data sobre si las cadenas de polímero en la superficie superior están enredadas o no. Las cadenas de polímero en la interfaz aire / polímero todavía están enredadas y la dinámica correspondiente se rige por el mecanismo de reptación, que describe el movimiento a gran escala "similar a una serpiente" de las cadenas de polímero enredadas, como en el grueso.
Este trabajo también informa sobre la aparición de distribuciones de viscosidad heterogéneas dentro de películas delgadas de polímero de una sola capa en equilibrio térmico. Los investigadores encontraron que si bien la interfaz polímero / aire es más móvil debido a su viscosidad reducida, las perturbaciones de largo alcance (~ 60 nm de espesor en este caso), que están asociados con la capa adsorbida inmóvil muy delgada (~ 7-nm de espesor), dan como resultado un aumento de tipo exponencial en la viscosidad local con una distancia decreciente desde la interfaz del sustrato.
Por lo tanto, Los presentes hallazgos arrojan nueva luz sobre la interacción entre estas interfaces en la propiedad reológica local, facilitando el desarrollo de nuevas nanoestructuras poliméricas y dispositivos a nanoescala para su uso en una amplia variedad de campos.
