結晶が流れるとき: ポリマーの融点

結晶が流れるとき: ポリマーの融点: 半結晶性ポリマーは、その融解温度以上でのみ流動すると想定される固体です。 Science Advancesに掲載された新しい研究で、Chien-Hua Tu氏とドイツのマックス・プランクポリマー研究所およびギリシャのヨアニナ大学の研究チームは、結晶をナノスケールの円筒状細孔内に閉じ込め、融点以下の半結晶性ポリマーの流動性を示した。粘度の中間状態から溶融状態および結晶状態までの状態を指します。

この現象の間、毛細管現象は強力であり、結晶を溶かすことなくポリマー鎖を孔の中に引きずり込みました。 予期せぬ流れの改善により、有機エレクトロニクスでの使用に適した、低温に適用できるポリマー加工条件が容易になりました。

約 2,500 年前、哲学者ヘラクレイトスは「すべては流れる」と提唱しました。温度ゼロの完全な結晶は流れませんが、結晶質の物質は特定の条件下で流れます。 たとえば、約 100 年前の既存の研究では、薄い非晶質層に囲まれた流れる金属粒子の形をした鋳鉄の流れが、過冷却された液体に似ていることが示されています。

研究者らは、分子動力学シミュレーションを使用して、塑性変形における複雑な粒界「流体」の重要性をさらに示唆するアイデアを確認しました。 たとえば、地球の内核も同様に鉄を結晶状態で保持していると考えられています。 さらに、海王星や天王星などの惑星の核は超イオン性の結晶水で構成されており、磁場を生み出すために流れており、それが最終的に私たちの存在につながっている可能性があります。

流体のような移動度を示す結晶材料は「超イオン」として知られており、エネルギー用途にとって重要です。 半結晶性ポリマーは、通常の条件下では流動しない固体です。 この研究で、Tu らは、半結晶性ポリマーでもどのように流動するかを示しました。 この現象を調べるために、彼らは 2 つの半結晶性ポリマーを使用しました。 特定の分子特性を持つポリ（エチレンオキシド）とポリ（ε-カプロラクトン）。 材料科学者らは、既存の文献プロトコルに基づいて、研究用に自己順序付けされたナノ多孔質アルミナ テンプレートを開発しました。

科学者たちは、バルクのポリエチレンオキシド材料の熱力学、構造およびレオロジー特性を調べました。 そして、アルミナテンプレート上の材料膜が半結晶状態であることがデータから確認された。 研究チームは、小角X線散乱を用いて結晶ラメラのドメイン間隔の組織を観察した。 彼らは、偏光光学顕微鏡を使用して、溶融温度から周囲温度までゆっくりと冷却したフィルムを使用してバルクポリエチレンオキシドの上部構造を研究しました。 その結果、ポリエチレンオキシドの単一の球晶上部構造が示された一方、触媒を用いて合成されたポリ(ε-カプロラクトン)の構造動力学は異なっていた。

研究チームは、陽極酸化アルミニウムテンプレート内で 2 つのポリマー材料の 28 日間の吸収 (材料の膨張につながる水の取り込み) を実施し、走査型電子顕微鏡と原子間力顕微鏡でサンプルを観察して特性を調べました。 ポリエチレンオキシドの比較的滑らかな外観とは対照的に、ポリ(ε-カプロラクトン)材料は、結晶内拡散における多様な形態学的起源により、豊富な粒子構造を示しました。 材料の表面の外観を研究した後、研究者らはナノ赤外線顕微鏡検査を実行して、2 つの材料の表面トポグラフィーの追加画像を取得しました。 結果は、ポリエチレンオキシドの半結晶性の性質を明確に示しました。 彼らはまた、実験設定における毛管力が流動中に結晶を融解させるのに十分に大きい可能性についても言及し、半結晶性ポリマーの粘度が実験中に低下することにも注目した。

半結晶状態からの吸収として知られる流体の取り込みと材料の膨張のメカニズムは、その結晶ドメインと非晶質ドメインの力学に依存していました。 4 つのプロセスが非晶質領域と結晶領域に作用しました。 部分緩和が非晶質ドメインのダイナミクスを支配する一方、他の 3 つのプロセスが結晶ドメインに影響を及ぼし、ポリエチレンオキシドなどの結晶可動性ポリマーの結晶内鎖拡散を示しました。

結晶の吸収には微結晶全体の拡散も含まれるため、Tu とチームはポリマーのモル質量が吸収プロセスに及ぼす影響を調べた。 その結果、モル質量が吸収速度を制御することが示されました。

このようにして、Chien-Hua Tu らは、走査型電子顕微鏡、原子間力顕微鏡、ナノ赤外線結果など、材料科学におけるいくつかのイメージング手法を使用して、半結晶性ポリマーが陽極酸化アルミニウムでできたナノ細孔内で毛細管現象を介してどのように流動するかを調べました。 。 彼らは、せん断レオメーターを使用してポリマーの粘弾性挙動を測定したところ、毛細管現象がポリマーの吸着プロセスを促進しているようでした。

吸収が成功するまでのプロセスは比較的ゆっくりでしたが、毛細管力は結晶を融解することなくポリマー微結晶をナノ細孔内に引き込むのに十分な強さでした。 ポリマー微結晶を保存しながらの予想外の流量の増加は、低温でのポリマー加工に適用されます。 このような現象は、ポリマーの劣化を防ぐために特定の条件下でコールドフローとその後のポリマーのセラミックまたは金属への結合を引き起こす可能性があります。 このような半結晶性ポリマーおよび強誘電体材料は、有機エレクトロニクスにおいてその電子的および物理的特性に影響を与えるさまざまな用途があります。

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