In ons dagelijks leven is het niet ongewoon om hetzelfde materiaal in verschillende staten te zien. Neem bijvoorbeeld water:het is een vloeistof bij omgevingstemperatuur, we kunnen in ijs veranderen als het onder 0°C wordt gekoeld en het wordt een gas als het boven 100°C wordt verwarmd. De passages tussen deze verschillende toestanden van materie worden faseovergangen genoemd.

Faseovergangen zijn de uitdrukking van de organisatie en interacties van moleculen en atomen in materialen, en daarom zijn ze grotendeels bestudeerd door natuurkundigen, chemici, biologen, en nog veel meer.

Sommige faseovergangen, hoewel voorspeld door de theorie, ongrijpbaar blijven en hun bestaan ​​niet kan worden geverifieerd met experimenten, vanwege de barre omstandigheden waarin ze voorkomen. Dit is het geval bij de adsorptie/desorptie-overgang van polymeren.

Polymeren zijn lange moleculen die zijn gevormd door de herhaling - vaak meer dan duizend keer - van dezelfde eenheid, monomeer genoemd. Deze specifieke structuur brengt een reeks interessante eigenschappen met zich mee. Bijvoorbeeld, een polymeermolecuul kan sterk hechten aan een oppervlak, zelfs als de interactie tussen één enkel monomeer en het oppervlak erg zwak is: l'union fait la force . In feite, om het hele molecuul van het oppervlak te scheiden, men zou één voor één alle monomeren moeten verwijderen die zwak gehecht zijn, wat zeer onwaarschijnlijk is. Polymeerketens worden beschouwd als onomkeerbaar geadsorbeerd, dat is, een polymeerketen hoort op een oppervlak te plakken, voor een extreem lange tijd, eigenlijk voor altijd.

Theoretici hebben voorgesteld dat de geadsorbeerde toestand is, in plaats daarvan, van voorbijgaande aard en, bij verhitting ruim boven kamertemperatuur, polymeermoleculen moeten desorberen en het oppervlak verlaten. Dit zou de adsorptie/desorptie-overgang zijn.

Tot nu toe, echter, niemand kon deze ideeën verifiëren, omdat de temperaturen waar deze faseovergang zou moeten plaatsvinden erg hoog zijn, en het materiaal degradeert eerder, eventueel, desorberen.

Nutsvoorzieningen, schrijven in Natuurcommunicatie Simone Napolitano (Laboratorium voor polymeer- en zachte materiedynamica, ULB) en zijn medewerkers, Xavier Monnier en Daniele Cangialosi, van het Donostia International Physics Centre en Centro de Física de Materiales van San Sebastián (Spanje) hebben experimenteel toegang kunnen krijgen tot de adsorptie / desorptie-overgang.

Door de expertise van Cangialosi op het gebied van faseovergangen en die van Napolitano op het gebied van adsorptie te combineren, het team heeft een nieuwe techniek gebruikt genaamd snelle scanning calorimetrie, waarmee de warmte kan worden gemeten die door een materiaal wordt uitgewisseld terwijl de temperatuur zeer snel wordt gevarieerd. De techniek kan de polymeermoleculen binnen een fractie van een seconde van kamertemperatuur naar 400°C brengen, en binnen dit korte interval heeft het materiaal geen tijd om af te breken.

Door dit fenomeen te bestuderen, Monnier en collega's hebben waargenomen dat een zeer kleine hoeveelheid warmte vrijkomt uit de polymeerketens wanneer ze van een oppervlak desorberen, waardoor de adsorptie / desorptie kon worden geclassificeerd als een fase-overgang van de eerste orde.

Dit is vergelijkbaar met wat er met ijs gebeurt als we het op tafel leggen. Bij lage temperatuur, de moleculen blijven bij elkaar dankzij interacties die het materiaal in vaste toestand houden. Door verhitting boven 0°C beginnen de interacties te vervagen, wat overeenkomt met een warmtewisseling. Hetzelfde gebeurt met polymeerketens wanneer ze desorberen.

Emmanouil Glynos (Stichting voor Onderzoek en Technologie-Hellas), expert van polymeerfysica merkte op, "Monnier et al hebben desorptie kunnen waarnemen door een dunne polymeerlaag te verwarmen, een mooi resultaat dat niet eerder werd behaald. Dankzij snelle calorimetrie konden ze deze ongrijpbare faseovergang volledig karakteriseren, dit is een ongelooflijke vooruitgang van de stand van de techniek van de fysica van zachte materie."

Naast de enorme vooruitgang van de studie van faseovergangen, deze studie opent nieuwe methoden om de eigenschappen van nanomaterialen als slimme coatings op maat te maken, flexibele elektronica en meer. De eigenschappen van deze innovatieve systemen, in feite, hangt af van het aantal moleculen dat wordt geadsorbeerd, en de auteurs verwachten dat door het adequaat beheersen van de adsorptie/desorptie-overgang het mogelijk zal zijn om beter presterende en duurzamere materialen te fabriceren.