(PhysOrg.com) -- Lo sviluppo di nanostrutture polimeriche e dispositivi su scala nanometrica per un'ampia varietà di applicazioni potrebbe emergere da nuove informazioni sull'interazione tra le interfacce su scala nanometrica nei materiali polimerici, grazie alla ricerca condotta presso l'Advanced Photon Source (APS) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti dell'Office of Science presso l'Argonne National Laboratory.

È ben noto che le proprietà fisiche e meccaniche dei materiali polimerici confinati alla nanoscala differiscono sostanzialmente dalla massa, il cosiddetto effetto “nanoconfinamento”. I materiali polimerici comprendono un composto o una miscela di composti formati per polimerizzazione e costituiti essenzialmente da unità strutturali ripetute, preparato su substrati solidi impenetrabili. Vi sono ora prove crescenti che l'interfaccia aria/polimero e l'interfaccia polimero/substrato svolgono un ruolo cruciale in tali effetti di nanoconfinamento:all'interfaccia aria/polimero, esiste uno strato mobile superficiale che esalta la dinamica della catena, mentre uno strato adsorbito immobile formato su substrati solidi senza interazioni specifiche di un polimero (come l'impilamento -π o i legami idrogeno) riduce la dinamica. Sebbene la maggior parte del lavoro precedente abbia rivelato le deviazioni delle quantità "medie" di interi film nanometrici dalla massa, ci si aspetta che le quantità locali all'interno del film siano diverse da quelle medie, a seconda dell'interazione tra queste interfacce. È stata questa domanda senza risposta, sia teorica che sperimentale, a motivare il presente studio.

Per capire fino a che punto questi effetti interfacciali si propagano all'interno del film e per determinare la proprietà reologica dei materiali polimerici in funzione della distanza dalle interfacce, i ricercatori della Stony Brook University e Argonne hanno utilizzato la linea di luce 8-ID della divisione scientifica a raggi X presso l'APS per applicare la spettroscopia di correlazione fotonica a raggi X (XPCS) a film di polistirene (PS) con un sistema incorporato di nanoparticelle d'oro che fungono da marcatori. Con questa nuova tecnica, i ricercatori hanno scoperto che la deriva casuale (il moto browniano) dei marcatori ha seguito adeguatamente la viscosità locale, che controlla il flusso e le proprietà meccaniche dei materiali polimerici, governato da intrecci di catena. Inoltre, l'uso delle due modalità di illuminazione con diversi angoli di incidenza per XPCS ha permesso loro di esplorare in situ la dinamica del marker sulla superficie più alta e la regione vicino al centro del film in modo indipendente.

Di conseguenza, hanno scoperto che la viscosità della superficie più alta (~ 10 nm di profondità) nei film di PS (~ 100 nm di spessore) è circa il 30% inferiore a quella al centro del film. Inoltre, I risultati di XPCS concludono il dibattito di lunga data sul fatto che le catene polimeriche sulla superficie più alta siano impigliate o meno. Le catene polimeriche all'interfaccia aria/polimero sono ancora entangled e le dinamiche corrispondenti sono governate dal meccanismo di reptazione, che descrive il movimento su larga scala "a forma di serpente" di catene polimeriche entangled, come in massa.

Questo lavoro riporta anche l'emergere delle distribuzioni eterogenee della viscosità all'interno di film sottili di polimeri a strato singolo in equilibrio termico. I ricercatori hanno scoperto che mentre l'interfaccia polimero/aria è più mobile a causa della sua ridotta viscosità, le perturbazioni a lungo raggio (~60 nm di spessore in questo caso), che sono associati allo strato adsorbito immobile molto sottile (~ 7 nm di spessore), determina un aumento esponenziale della viscosità locale con la diminuzione della distanza dall'interfaccia del substrato.

Così, i risultati attuali gettano nuova luce sull'interazione tra queste interfacce sulla proprietà reologica locale, facilitare lo sviluppo di nuove nanostrutture polimeriche e dispositivi su scala nanometrica da utilizzare in un'ampia varietà di campi.