(PhysOrg.com) -- De ontwikkeling van polymere nanostructuren en apparaten op nanoschaal voor een breed scala aan toepassingen zou kunnen voortkomen uit nieuwe informatie over de wisselwerking tussen nanoschaalinterfaces in polymere materialen, dankzij onderzoek uitgevoerd door de Advanced Photon Source (APS) van het Amerikaanse Department of Energy Office of Science in het Argonne National Laboratory.

Het is algemeen bekend dat de fysieke en mechanische eigenschappen van polymere materialen die op nanoschaal zijn opgesloten aanzienlijk verschillen van de bulk, het zogenaamde “nanoconfinement”-effect. Polymere materialen omvatten een verbinding of mengsel van verbindingen gevormd door polymerisatie en in wezen bestaande uit herhalende structurele eenheden, voorbereid op ondoordringbare vaste ondergronden. Er is nu groeiend bewijs dat het lucht/polymeer-interface en polymeer/substraat-interface een cruciale rol spelen bij dergelijke nano-opsluitingseffecten:op het lucht/polymeer-interface, er bestaat een mobiele oppervlaktelaag die de ketendynamiek verbetert, terwijl een immobiele geadsorbeerde laag gevormd op vaste substraten zonder specifieke interacties van een polymeer (zoals π-π-stapeling of waterstofbruggen) de dynamiek vermindert. Hoewel het meeste eerdere werk de afwijkingen van "gemiddelde" hoeveelheden hele nanometerfilms van de bulk aan het licht heeft gebracht, er wordt verwacht dat de lokale hoeveelheden in de film anders zijn dan de gemiddelde, afhankelijk van het samenspel tussen deze interfaces. Het was deze onbeantwoorde vraag - zowel theoretisch als experimenteel - die de aanleiding voor dit onderzoek was.

Om te begrijpen in hoeverre deze grensvlakeffecten zich voortplanten in het filminterieur en om de reologische eigenschap van polymere materialen te bepalen als een functie van de afstand tot de grensvlakken, onderzoekers van Stony Brook University en Argonne gebruikten de X-ray Science Division beamline 8-ID bij de APS om röntgenfotoncorrelatiespectroscopie (XPCS) toe te passen op polystyreen (PS) films met een ingebed systeem van gouden nanodeeltjes die als markers fungeren. Met deze nieuwe techniek, de onderzoekers ontdekten dat de willekeurige drift (de Brownse beweging) van de markers de lokale viscositeit adequaat volgde, die de stroom en de mechanische eigenschappen van polymere materialen regelt, beheerst door ketenverstrengeling. In aanvulling, het gebruik van de twee verlichtingsmodi met verschillende invalshoeken voor XPCS stelde hen in staat om in-situ de markeringsdynamiek aan het bovenste oppervlak en het nabije middengebied van de film onafhankelijk te onderzoeken.

Als resultaat, ze ontdekten dat de viscositeit van het bovenste oppervlak (~ 10 nm diepte) in PS-films (~ 100 nm in dikte) ongeveer 30% lager is dan die in het midden van de film. Bovendien, XPCS-resultaten sluiten het al lang bestaande debat af of polymeerketens aan het bovenste oppervlak verstrengeld zijn of niet. De polymeerketens aan het lucht/polymeer-interface zijn nog steeds verstrengeld en de bijbehorende dynamiek wordt bepaald door het reptatiemechanisme, die de "slangachtige" grootschalige beweging van verstrengelde polymeerketens beschrijft, als in de massa.

Dit werk rapporteert ook de opkomst van de heterogene viscositeitsverdelingen in dunne films van enkellaags polymeer in thermisch evenwicht. De onderzoekers ontdekten dat hoewel het polymeer/lucht-interface mobieler is vanwege de verminderde viscositeit, de verstoringen op lange afstand (~ 60 nm in dikte in dit geval), die geassocieerd zijn met de zeer dunne immobiele geadsorbeerde laag (~ 7 nm dik), resulteren in een exponentieel-achtige toename van de lokale viscositeit met afnemende afstand tot het substraatinterface.

Dus, de huidige bevindingen werpen nieuw licht op het samenspel tussen deze interfaces op de lokale reologische eigenschap, het vergemakkelijken van de ontwikkeling van nieuwe polymere nanostructuren en apparaten op nanoschaal die op een groot aantal verschillende gebieden kunnen worden gebruikt.