Ученые химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова совместно с зарубежными коллегами разработали компактную установку для одновременного изучения термических свойств и наноструктуры полимеров. Она может быть использована на российских синхротронах, в том числе на Сибирском кольцевом источнике фотонов (СКИФ). Такое оборудование необходимо для исследования полимеров при быстрых изменениях температуры, характерных для их переработки.
Результаты исследования, поддержанного Российским научным фондом (проект № 23-73-30005), опубликованы в Journal of Synchrotron Radiation.
При литье под давлением, экструзии и других способах переработки полимеров материал быстро нагревается и охлаждается. В этих условиях молекулярные цепи формируют и перестраивают кристаллические области, определяющие внутреннее строение готового изделия. Чтобы установить связь между температурным режимом и формирующейся структурой, необходимо одновременно измерять тепловые эффекты и наблюдать за изменениями материала на нанометровом уровне.
«Разработанная нами установка позволит использовать возможности российских синхротронов, включая СКИФ, для решения фундаментальных и прикладных задач науки о материалах. При исследовании полимеров такой инструмент необходим, поскольку их структура может существенно изменяться за тысячные доли секунды. Одновременная регистрация тепловых эффектов и структурных изменений поможет раскрыть механизмы кристаллизации и плавления, установить связь между условиями переработки и строением материала. Это даст научную основу для создания полимерных материалов с заданными свойствами и выбора оптимальных режимов их переработки», — отмечает соавтор исследования Дмитрий Иванов, заведующий лабораторией на факультете фундаментальной физико-химической инженерии МГУ.
Особенно важно, чтобы скорость изменения температуры в эксперименте соответствовала скорости исследуемых процессов. Обычные лабораторные устройства часто позволяют нагревать и охлаждать образец лишь на несколько десятков градусов в минуту. За это время исходная структура полимера может успеть существенно измениться. Поэтому сверхбыстрый температурный контроль в сочетании с синхронными структурными измерениями становится необходимым условием достоверного исследования быстрых фазовых превращений.
В новой установке авторы объединили сверхбыструю калориметрию на чипе с малоугловым рассеянием синхротронного рентгеновского излучения. Калориметр регистрирует поглощение или выделение тепла, а рентгеновское рассеяние позволяет определять параметры наноструктуры. Миниатюрный сенсор обеспечивает нагревание и охлаждение со скоростью до нескольких тысяч градусов в секунду. Синхронная запись двух сигналов показывает, какие структурные изменения сопровождают наблюдаемые тепловые переходы.
Ключевое преимущество разработки для российских исследовательских центров заключается в ее модульной конструкции. Калориметр, оптический микроскоп и система позиционирования объединены в компактный блок, который можно переносить между синхротронными станциями малоуглового рассеяния без существенной переделки их оборудования. Это создает основу для применения установки на СКИФе и других российских синхротронах, где она позволит изучать термические свойства и структуру полимеров в едином эксперименте.
Работоспособность установки проверили на станции ID02 Европейского центра синхротронного излучения ESRF в Гренобле. Исследователи обеспечили точное совмещение миниатюрного образца с рентгеновским пучком и снизили фоновое рассеяние. Для образцов массой порядка 100 нанограммов удалось получать данные, пригодные для количественного анализа наноструктуры, за несколько миллисекунд.
В качестве модельного соединения полиэтилена использовали длинноцепочечный алкан C₃₉₀H₇₈₂. Его молекулы имеют одинаковую длину и при кристаллизации складываются, образуя тонкие пластинчатые кристаллы — ламеллы. Изменение скорости охлаждения позволило получать пластинки толщиной примерно от 9 до 19 нанометров: чем медленнее охлаждали расплав, тем толще становились кристаллы.
При последующем нагревании со скоростью 1000 градусов в секунду средняя толщина кристаллических пластинок заметно увеличивалась вблизи начала плавления всего за 15 миллисекунд. Это может отражать как перестройку кристаллов, так и преимущественное плавление наиболее тонких пластинок. Результат показывает, что даже при сверхбыстром нагревании структура материала успевает измениться, а значит, эти изменения необходимо учитывать при интерпретации его термического поведения.
Оснащение российских синхротронных станций такими модулями позволит проводить комплексные исследования полимеров в условиях, приближенных к технологическим. Для этого необходимы точное управление температурой, измерение тепловых эффектов и одновременная регистрация структуры — все эти возможности объединены в разработанной установке. Ее применение на СКИФе и других российских источниках поможет выяснить, как формируется структура полимерных материалов, и научно обосновать выбор режимов их переработки.
В работе участвовали исследователи МГУ, Лёвенского католического университета, Сианьского университета Цзяотун, Шеффилдского университета и Института материаловедения в Мюлузе (CNRS, Франция).
Информация предоставлена пресс-службой МГУ
Источник фото: 123rf.com
