Los vidrios no son, quizás sorprendentemente, técnicamente sólidos en forma cristalizada, sino que son sustancias congeladas en una estructura similar a un líquido. Quedan muchas preguntas fundamentales sobre cómo se forman exactamente los vidrios, haciendo la transición del líquido que fluye al vidrio sólido.Al explorar fenómenos sobre el vidrio, como su formación, es la temperatura donde esto ocurre, la temperatura de transición vítrea.
Una colaboración internacional de físicos y químicos informáticos ha arrojado nueva luz sobre cómo la estructura del polímero influye en esta temperatura en la formación de vidrio en poliestireno atáctico PS, una sustancia de vidrio de uso común. Su trabajo se informa esta semana en el Revista de Física Química , de AIP Publishing.
Alexey Lyulin, físico de la Technische Universiteit Eindhoven en los Países Bajos y miembro visitante del profesorado de la Universidad de Stanford, dirigió el trabajo de realización de simulaciones procesadas por supercomputadora.
"La transición vítrea es en realidad un fenómeno misterioso", dijo Lyulin. "Todavía no se entiende completamente, incluso para líquidos muy simples".
Y los polímeros, agrega Lyulin, no son líquidos simples. Tienen moléculas muy largas en forma de cadena, y generalmente no cristalizan sino que forman sólidos vítreos amorfos. Este estado vítreo es importante para muchas aplicaciones como, por ejemplo, la nanolitografía. El polímerola interfaz también es importante, ya que aquí es donde se producen importantes mecanismos y transferencia de calor entre las diferentes moléculas.
Lyulin y sus colegas observaron la transición del vidrio polimérico en muestras a granel, pero estaban especialmente interesados en películas delgadas de poliestireno. En el nivel nanométrico, estas películas a menudo son comparables a tener un espesor de molécula. Al estudiar la transición del vidrio para polímeros enEn esta escala, Lyulin señaló que los investigadores quieren aprender sobre la dinámica relevante, así como la estructura.
"En nuestro trabajo, estudiamos solo la estructura de poliestireno y lo que le sucede a esta estructura en la transición vítrea cuando se utilizan películas muy delgadas de espesor nanométrico", dijo Lyulin.
Señaló que los autores del artículo estaban familiarizados con la investigación experimental que indicaba que en una película delgada y libre sin sustrato, la temperatura de transición del poliestireno es muy baja, en comparación con la del poliestireno a granel, con una diferencia de aproximadamente sesenta gradosCelsius.
"Es un gran efecto, el mayor efecto que se observa en las películas de polímeros", dijo Lyulin. "Y luego tratamos de entender por qué, qué es tan específico sobre el poliestireno".
Los autores plantearon la hipótesis de que muchos de los anillos de benceno en la película de poliestireno son empujados hacia la periferia de la película, revelando un comportamiento interesante de estas interacciones de anillo, también llamadas interacciones aromáticas o pi-pi.
"Significa que las interacciones muy fuertes entre los anillos de benceno se debilitan de alguna manera dentro de la película", dijo Lyulin. "Y debido a este debilitamiento, la transición vítrea ocurre a una temperatura más baja".
Diferentes grupos dentro del equipo de investigación probaron esta hipótesis con un enfoque multifacético. Un grupo preparó las muestras de película iniciales, uno realizó simulaciones por computadora y otro grupo ayudó a analizar los resultados.
Lyulin dijo que el equipo también vio que la temperatura de transición estaba influenciada por las velocidades de enfriamiento del polímero. Probaron más de 100 películas de poliestireno de diferente estructura, grosor y a diferentes temperaturas, lo que llevó más de seis meses, y la velocidad de enfriamiento de la simulación por computadora fue muchaórdenes más rápido que en experimentos.
Para Lyulin, la fuerte confirmación de su hipótesis algo sorprendente destaca que los hallazgos ofrecen información fundamental sobre la estructura molecular de la película de poliestireno a medida que la sustancia vítrea se acerca a la transición.
"Estas interacciones aromáticas pi-pi juegan un papel muy, muy importante en este polímero específico y en cualquier polímero que contenga anillos aromáticos", dijo Lyulin. "Las interacciones pi-pi conducen a una orientación específica, ordenando estos grupos aromáticos yluego a una estructura específica que tiene consecuencias muy importantes para este material vítreo "
Lyulin agrega que esto parece ocurrir con otros materiales no poliméricos, como el grafeno actualmente popular, que tiene estas interacciones pi-pi entre sus anillos de carbono. Espera que él y sus colegas continúen esta línea de investigación y comparen los resultados conotros teóricos y experimentadores.
"Sería muy interesante estudiar y comparar este efecto dinámicamente, qué sucede con la movilidad de estos anillos, cómo se relajan y qué sucede con la movilidad de otros segmentos de polímeros al enfriarse en el sistema", dijo Lyulin ".sería muy interesante comparar los valores de Tg temperatura de transición estáticos y dinámicos "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Instituto Americano de Física . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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