Van fotonica tot farmaceutica, materialen gemaakt met polymeer nanodeeltjes zijn veelbelovend voor producten van de toekomst. Echter, er zijn nog steeds hiaten in het begrijpen van de eigenschappen van deze kleine plasticachtige deeltjes.

Nutsvoorzieningen, Hojin Kim, een afgestudeerde student in chemische en biomoleculaire engineering aan de Universiteit van Delaware, samen met een team van samenwerkende wetenschappers van het Max Planck Institute for Polymer Research in Duitsland, Princeton University en de Universiteit van Trento, heeft nieuwe inzichten opgeleverd over polymere nanodeeltjes. De bevindingen van het team, inclusief eigenschappen zoals oppervlaktemobiliteit, glasovergangstemperatuur en elasticiteitsmodulus, werden gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Onder leiding van MPI Prof. George Fytas, het team gebruikte Brillouin-lichtspectroscopie, een techniek die de moleculaire eigenschappen van microscopisch kleine nanodeeltjes ontrafelt door te onderzoeken hoe ze trillen.

"We hebben de trillingen tussen elk nanodeeltje geanalyseerd om te begrijpen hoe hun mechanische eigenschappen veranderen bij verschillende temperaturen, ' zei Kim. 'We vroegen, 'Wat geeft een trilling bij verschillende temperaturen aan? Wat betekent het fysiek?' "

De eigenschappen van polymeer nanodeeltjes verschillen van die van grotere deeltjes van hetzelfde materiaal. "Hun nanostructuur en kleine afmetingen bieden verschillende mechanische eigenschappen, " zei Kim. "Het is echt belangrijk om het thermische gedrag van nanodeeltjes te begrijpen om de prestaties van een materiaal te verbeteren."

Neem polystyreen, een materiaal dat veel wordt gebruikt in nanotechnologie. Grotere deeltjes van dit materiaal worden gebruikt in plastic flessen, bekers en verpakkingsmaterialen.

"Polymeer nanodeeltjes kunnen flexibeler of zwakker zijn bij de glasovergangstemperatuur waarbij ze zacht worden van een stijve textuur naar een zachte, en het neemt af naarmate de deeltjesgrootte afneemt, " Kim zei. Dat komt deels omdat polymeermobiliteit op het oppervlak van kleine deeltjes gemakkelijk kan worden geactiveerd. Het is belangrijk om te weten wanneer en waarom deze overgang plaatsvindt, aangezien sommige producten, zoals filtermembranen, moeten sterk blijven wanneer ze worden blootgesteld aan verschillende omstandigheden.

Bijvoorbeeld, een plastic wegwerpbeker gemaakt met het polymeer polystyreen kan in kokend water standhouden, maar die beker heeft geen nanodeeltjes. Het onderzoeksteam ontdekte dat nanodeeltjes van polystyreen de thermische overgang beginnen te ervaren bij 343 Kelvin (158 graden F), bekend als de verwekingstemperatuur, onder een glasovergangstemperatuur van 372 K (210 F) van de nanodeeltjes, net onder de temperatuur van kokend water. Bij verhitting tot dit punt, de nanodeeltjes trillen niet - ze staan ​​volledig stil.

Dit was nog niet eerder gezien, en het team vond bewijs dat suggereert dat deze temperatuur een zeer mobiele oppervlaktelaag in het nanodeeltje kan activeren, zei Kim. Terwijl deeltjes tussen hun verwekingstemperatuur en glasovergangstemperatuur opwarmden, de deeltjes wisselden steeds meer met elkaar in. Andere onderzoeksgroepen hebben eerder vermoed dat de glasovergangstemperatuur daalt met afname van de deeltjesgrootte door verschillen in deeltjesmobiliteit, maar ze konden het niet direct waarnemen.

"Met behulp van verschillende methoden en instrumenten, we hebben onze gegevens bij verschillende temperaturen geanalyseerd en geverifieerd dat er iets op het oppervlak van de polymeer nanodeeltjes is dat mobieler is in vergelijking met de kern, " hij zei.

Door interacties tussen de nanodeeltjes te bestuderen, het team ontdekte ook hun elasticiteitsmodulus, of stijfheid.

Volgende, Kim is van plan deze informatie te gebruiken om een ​​nanodeeltjesfilm te bouwen die de voortplanting van geluidsgolven kan regelen.

Eric Furst, hoogleraar en voorzitter van de afdeling Chemische en Biomoleculaire Engineering aan de UD, is ook een corresponderende auteur op het papier.

"Hojin nam de leiding over dit project en behaalde resultaten die ik had kunnen voorspellen. " zei Furst. "Hij is een voorbeeld van uitmuntendheid in doctoraal technisch onderzoek in Delaware, en ik kan niet wachten om te zien wat hij hierna gaat doen."