Los polímeros se usan para innumerables aplicaciones hoy en día, y quizás la propiedad más importante que dicta qué polímero se elige para una aplicación dada es su "temperatura de transición vítrea". Muchos polímeros industriales poseen una estructura molecular irregular que les hace imposible cristalizarCuando un material polimérico se enfría desde una temperatura alta por encima de su temperatura de transición vítrea, se transforma de líquido a vidrio cuando se alcanza la temperatura de transición.
Si bien un material polimérico tiene una estructura amorfa y líquida en su estado vítreo, la movilidad de las moléculas es tan baja que están esencialmente congeladas. De hecho, muchos plásticos duros son vítreos. El poliestireno, por ejemplo, tiene untemperatura de transición vítrea de aproximadamente 100 ° C: a temperatura ambiente se comporta como un material sólido. Pero a medida que su temperatura se aproxima a la temperatura de transición vítrea, las propiedades mecánicas del poliestireno cambian drásticamente.
Esto hace que la capacidad de aproximar las transiciones de vidrio para geometrías confinadas en polímeros sea altamente deseable. Y ahora, como informa un grupo de investigadores de la Universidad de Nuevo México y el Instituto de Minería y Tecnología de Nuevo México en la edición de esta semana de El diario de la física química , de AIP Publishing, han desarrollado una fórmula simple para hacer precisamente eso.
"Con el desarrollo de la nanotecnología, los polímeros han encontrado muchas aplicaciones que requieren su uso en 'geometrías confinadas' como canales estrechos, poros pequeños y películas delgadas", explicó el coautor del estudio John Curro, profesor adjunto en NewInstituto Mexicano de Minería y Tecnología
En los últimos 20 años, los experimentos han demostrado que cuando los polímeros se usan en una geometría confinada, su transición vítrea "no es necesariamente la misma que para el correspondiente polímero 'no confinado' o en masa", dijo Curro., como es el caso de las películas independientes con dos superficies libres, pero también puede aumentar para líquidos contra sustratos que atraen fuertemente ".
El cambio en la transición vítrea depende sensiblemente del grosor de la película: cuanto más delgada sea la película, mayor será el efecto. "Este cambio puede ser extraordinariamente grande", dijo Curro. "Por ejemplo, la temperatura de transición vítrea de una película de poliestireno de 20 nanómetros".se ha medido hasta 70 ° C por debajo del poliestireno a granel. Claramente, esta película delgada de poliestireno ya no es un material plástico duro ".
En lo que respecta a las aplicaciones potenciales, "el hecho de que las propiedades del polímero en geometrías confinadas sean diferentes que en masa podría tener implicaciones importantes para la fotolitografía, nanocompuestos, micromáquinas y dispositivos de laboratorio en un chip", dijo Curro.
Entonces, ¿por qué la transición vítrea de un polímero confinado es diferente a la de su material a granel correspondiente?
"Presumimos que se debe a un efecto de densidad", dijo Curro. "En un líquido a granel no confinado, la densidad es constante en toda la muestra. Por el contrario, la densidad de moléculas de un líquido confinado no es uniforme debido a las restricciones impuestas por la geometría."
La densidad de una película independiente, por ejemplo, es esencialmente cero en las dos superficies, pero aumenta hasta cerca de la densidad aparente dentro del centro ". Dado que la temperatura de transición vítrea depende en gran medida de la densidad, esperamos que la temperatura de transición vítrea local varíe igualmente en todas partesla película ", dijo Curro." En un experimento de laboratorio, la temperatura de transición vítrea medida representa la respuesta promedio del material dentro de la película. La densidad promedio de una película independiente es generalmente diferente de su densidad aparente, y se deduce que el vidriolas temperaturas de transición también serán diferentes "
Entonces, el grupo exploró si la temperatura de transición vítrea de un líquido confinado sería la misma que la de un polímero hipotético a granel, no a su densidad aparente normal, sino a una densidad igual a la densidad promedio del polímero confinado.
Para ponerlo a prueba, querían medir tanto el perfil de densidad como la temperatura del vidrio en la misma película delgada. Tales mediciones serían difíciles de realizar en el laboratorio.
"Nuestro enfoque fue utilizar simulaciones por computadora de 'dinámica molecular' para estudiar películas líquidas delgadas que consisten en moléculas de cadena corta", dijo Curro. "También realizamos simulaciones por computadora del sistema de volumen correspondiente. Esto nos permitió comparar las temperaturas de transición vítreade películas delgadas de varios grosores con la temperatura de transición de vidrio a granel en las mismas cadenas modelo "
Para la eficiencia computacional, el grupo utilizó un modelo idealizado de 10 cuentas para representar las moléculas. Al hacerlo, "establecieron una conexión entre las temperaturas de transición vítrea de un polímero en una geometría restringida y el polímero en masa correspondiente,"Dijo Curro." Esto nos permitió desarrollar una fórmula simple para estimar la transición vítrea de un líquido confinado a partir de la temperatura de transición de vidrio a granel y un conocimiento del perfil de densidad del sistema confinado ".
También es importante tener en cuenta que los resultados del grupo solo se aplican a los polímeros de bajo peso molecular y a los vidrios de moléculas pequeñas.
"Los efectos sutiles de peso molecular se observan experimentalmente a altos pesos moleculares cuando el tamaño promedio de la cadena es comparable al grosor de la película, por lo que el alto peso molecular será un tema para futuras investigaciones", dijo Curro.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Americano de Física AIP . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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