Lorsque les cristaux coulent : le point de fusion du polymère

Lorsque les cristaux s'écoulent : point de fusion du polymère : les polymères semi-cristallins sont des solides supposés s'écouler uniquement au-dessus de leur température de fusion. Dans une nouvelle étude publiée dans Science Advances, Chien-Hua Tu et une équipe de recherche de l'Institut Max Planck pour la recherche sur les polymères en Allemagne et de l'Université d'Ioannina en Grèce ont confiné des cristaux dans des pores cylindriques nanoscopiques pour montrer la nature fluide des polymères semi-cristallins en dessous de leur point de fusion. point, à côté d'un état intermédiaire de viscosité aux états fondus et cristallins.

Le processus capillaire était fort pendant le phénomène et entraînait les chaînes de polymère dans les pores sans faire fondre le cristal. L'amélioration inattendue des conditions de traitement des polymères facilitées par l'écoulement applicables aux basses températures, adaptées à une utilisation dans l'électronique organique.

Il y a environ 2 500 ans, le philosophe Héraclite a proposé que "tout coule" et que, bien que des cristaux parfaits à température nulle ne coulent pas, les matériaux cristallins coulent dans des conditions spécifiques. Par exemple, des recherches existantes d'il y a environ 100 ans ont montré que l'écoulement de la fonte sous la forme de grains métalliques fluides entourés d'une fine couche amorphe est analogue à un liquide sous-refroidi.

À l'aide de simulations de dynamique moléculaire, les chercheurs ont confirmé les idées pour suggérer davantage l'importance du "fluide" complexe aux joints de grains sur la déformation plastique. Par exemple, le noyau interne de la Terre est également proposé pour retenir le fer à l'état cristallin. De plus, le noyau de planètes telles que Neptune et Uranus est composé d'eau cristalline superionique et s'écoule pour générer leur champ magnétique, qui a peut-être finalement conduit à notre propre existence.

Les matériaux cristallins qui présentent des mobilités de type fluide sont connus sous le nom de "superioniques" et sont importants pour les applications énergétiques. Les polymères semi-cristallins sont des solides qui ne s'écoulent pas dans des conditions normales. Dans ce travail, Tu et ses collègues ont montré comment même les polymères semi-cristallins subissaient un écoulement. Pour étudier le phénomène, ils ont utilisé deux polymères semi-cristallins ; poly(oxyde d'éthylène) et poly(ε-caprolactone) aux caractéristiques moléculaires spécifiques. Les scientifiques des matériaux ont développé des modèles d'alumine nanoporeuse auto-ordonnés pour l'étude, basés sur des protocoles de littérature existants.

Les scientifiques ont examiné les propriétés thermodynamiques, structurelles et rhéologiques des matériaux d'oxyde de polyéthylène en vrac. Et les données ont confirmé que le film de matériau sur le modèle d'alumine était dans un état semi-cristallin. L'équipe a observé l'organisation de l'espacement des domaines des lamelles cristallines avec une diffusion des rayons X aux petits angles. Ils ont utilisé la microscopie optique polarisante pour étudier la superstructure de l'oxyde de polyéthylène en vrac avec un film lentement refroidi de la fusion à la température ambiante. Les résultats ont indiqué une superstructure sphérulitique unique pour l'oxyde de polyéthylène, tandis que la dynamique structurelle de la poly(ε-caprolactone) synthétisée avec un catalyseur différait.

L'équipe de recherche a effectué une imbibition de 28 jours (absorption d'eau qui entraîne le gonflement des matériaux) des deux matériaux polymères dans des matrices d'oxyde d'aluminium anodique et a observé les échantillons au microscope électronique à balayage et au microscope à force atomique pour les caractériser. Contrairement à l'aspect relativement lisse de l'oxyde de polyéthylène, les matériaux poly (ε-caprolactone) ont montré des structures de grains abondantes en raison de diverses origines morphologiques dans la diffusion intracristalline. Après avoir étudié les aspects de surface des matériaux, les chercheurs ont réalisé une microscopie nano-infrarouge pour obtenir des images supplémentaires de la topographie de surface des deux matériaux. Les résultats ont clairement montré la nature semi-cristalline de l'oxyde de polyéthylène. Ils ont également abordé la possibilité que la force capillaire dans la configuration expérimentale soit suffisamment élevée pour faire fondre les cristaux pendant l'écoulement et ont noté la viscosité des polymères semi-cristallins à réduire pendant les expériences.

Les mécanismes d'absorption de fluide et de gonflement des matériaux connus sous le nom d'imbibition à partir de l'état semi-cristallin reposaient sur la dynamique de ses domaines cristallin et amorphe. Quatre processus ont agi sur les régions amorphes et cristallines ; la relaxation segmentaire a gouverné la dynamique dans le domaine amorphe, tandis que trois autres processus ont affecté le domaine cristallin pour démontrer la diffusion de la chaîne intracristalline pour les polymères cristallins mobiles tels que l'oxyde de polyéthylène.

Étant donné que l'imbibition des cristaux impliquait également la diffusion de cristallites entiers, Tu et l'équipe ont examiné l'influence de la masse molaire des polymères sur le processus d'imbibition. Les résultats ont montré que la masse molaire régulait la vitesse d'imbibition.

De cette façon, Chien-Hua Tu et ses collègues ont utilisé plusieurs méthodes d'imagerie en science des matériaux, telles que la microscopie électronique à balayage, la microscopie à force atomique et les résultats nano-infrarouges pour examiner comment les polymères semi-cristallins ont subi un écoulement dans les nanopores en oxyde d'aluminium anodique par action capillaire. . Ils ont mesuré le comportement viscoélastique des polymères à l'aide d'un rhéomètre à cisaillement, et l'action capillaire a semblé piloter le processus d'adsorption du polymère.

Alors que l'imbibition réussie était un processus relativement lent, la force capillaire était suffisamment forte pour entraîner les cristallites de polymère dans les nanopores sans faire fondre les cristaux. L'augmentation inattendue du débit tout en préservant les cristallites de polymère appliqué au traitement des polymères à basse température. Un tel phénomène peut conduire à un écoulement à froid et à une liaison ultérieure des polymères à la céramique ou au métal dans des conditions spécifiques pour empêcher la dégradation du polymère. De tels polymères semi-cristallins et matériaux ferroélectriques ont une variété d'applications en électronique organique pour affecter leurs propriétés électroniques et physiques.

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