Quando os cristais fluem: o ponto de fusão do polímero

Quando os cristais fluem: Ponto de fusão do polímero: Polímeros semicristalinos são sólidos que supostamente fluem apenas acima de sua temperatura de fusão. Em um novo estudo publicado na Science Advances, Chien-Hua Tu e uma equipe de pesquisa do Instituto Max Planck para Pesquisa de Polímeros na Alemanha e da Universidade de Ioannina Grécia confinaram cristais dentro de poros cilíndricos nanoscópicos para mostrar a natureza fluida de polímeros semicristalinos abaixo de seu ponto de fusão. ponto, ao lado de um estado intermediário de viscosidade para os estados de fusão e cristal.

O processo capilar foi forte durante o fenômeno e arrastou as cadeias poliméricas para dentro dos poros sem derreter o cristal. A melhoria inesperada no fluxo facilitou as condições de processamento de polímeros aplicáveis ​​a baixas temperaturas, adequadas para uso em eletrônica orgânica.

Há cerca de 2.500 anos, o filósofo Heráclito propôs que "tudo flui" e, embora os cristais perfeitos à temperatura zero não fluam, os materiais cristalinos fluem sob condições específicas. Por exemplo, pesquisas existentes de cerca de 100 anos atrás mostraram que o fluxo de ferro fundido na forma de grãos de metal fluindo cercados por uma fina camada amorfa é análogo a um líquido sub-resfriado.

Usando simulações de dinâmica molecular, os pesquisadores confirmaram as ideias para sugerir ainda mais a importância do complexo "fluido" de limite de grão na deformação plástica. Por exemplo, o núcleo interno da Terra é similarmente proposto para reter o ferro em um estado cristalino. Além disso, o núcleo de planetas como Netuno e Urano é composto de água cristalina superiônica e flui para gerar seu campo magnético, que pode ter levado à nossa própria existência.

Materiais cristalinos que exibem mobilidades semelhantes a fluidos são conhecidos como "superiônicos" e são importantes para aplicações de energia. Polímeros semicristalinos são sólidos que não fluem em condições normais. Neste trabalho, Tu e seus colegas mostraram como até mesmo os polímeros semicristalinos sofreram fluxo. Para examinar o fenômeno, eles usaram dois polímeros semicristalinos; poli (óxido de etileno) e poli(ε-caprolactona) com características moleculares específicas. Os cientistas de materiais desenvolveram modelos de alumina nanoporosa auto-ordenado para o estudo, com base em protocolos de literatura existentes.

Os cientistas examinaram as propriedades termodinâmicas, estruturais e reológicas dos materiais de óxido de polietileno a granel. E os dados confirmaram que o filme de material no molde de alumina está em um estado semicristalino. A equipe observou a organização de espaçamento de domínio de lamelas cristalinas com dispersão de raios-X de pequeno ângulo. Eles usaram microscopia óptica de polarização para estudar a superestrutura do óxido de polietileno a granel com um filme resfriado lentamente desde a fusão até a temperatura ambiente. Os resultados indicaram uma única superestrutura esferulítica para o óxido de polietileno, enquanto a dinâmica estrutural da poli(ε-caprolactona) sintetizada com um catalisador diferiu.

A equipe de pesquisa realizou uma embebição de 28 dias (absorção de água que leva ao inchaço dos materiais) dos dois materiais poliméricos em moldes de óxido de alumínio anódico e observou as amostras com microscopia eletrônica de varredura e microscopia de força atômica para caracterizá-las. Em contraste com a aparência relativamente lisa do óxido de polietileno, os materiais de poli(ε-caprolactona) mostraram estruturas de grãos abundantes devido a diversas origens morfológicas na difusão intracristalina. Depois de estudar as aparências da superfície dos materiais, os pesquisadores realizaram microscopia nano-infravermelha para obter imagens adicionais da topografia da superfície dos dois materiais. Os resultados mostraram claramente a natureza semicristalina do óxido de polietileno. Eles também abordaram a possibilidade da força capilar na configuração experimental ser suficientemente alta para fundir os cristais durante o fluxo e notaram que a viscosidade dos polímeros semicristalinos é reduzida durante os experimentos.

Os mecanismos de absorção de fluidos e intumescimento de materiais conhecidos como embebição do estado semicristalino dependiam da dinâmica de seus domínios cristalino e amorfo. Quatro processos atuaram nas regiões amorfa e cristalina; o relaxamento segmentar governou a dinâmica no domínio amorfo, enquanto três outros processos afetaram o domínio cristalino para demonstrar a difusão da cadeia intracristalina para polímeros com mobilidade cristalina, como o óxido de polietileno.