Óculos não são, talvez surpreendentemente, tecnicamente sólido em uma forma cristalizada, mas são substâncias congeladas em uma estrutura líquida. Muitas questões fundamentais permanecem sobre como exatamente os óculos se formam, transição de líquido em fluxo para vidro sólido. Um fator central que os cientistas de materiais estudam ao explorar fenômenos sobre o vidro, como sua formação, é a temperatura onde isso ocorre, a temperatura de transição vítrea.

Uma colaboração internacional de físicos computacionais e químicos lançou uma nova luz sobre como a estrutura do polímero influencia esta temperatura na formação do vidro em poliestireno atático (PS), uma substância de vidro comumente usada. O trabalho deles é relatado esta semana no Journal of Chemical Physics , da AIP Publishing.

Alexey Lyulin, um físico da Technische Universiteit Eindhoven na Holanda e membro do corpo docente visitante da Universidade de Stanford, liderou o trabalho realizando simulações processadas em supercomputador.

"A transição de vidro é na verdade um fenômeno misterioso, "Lyulin disse." Ainda não é compreendido completamente, mesmo para líquidos muito simples. "

E polímeros, Lyulin acrescenta, não são líquidos simples. Eles têm moléculas semelhantes a cadeias muito longas, e geralmente não cristalizam, mas formam-se amorfos, sólidos vítreos. Este estado vítreo é importante para muitas aplicações, como, por exemplo, nanolitografia. A interface de polímero também é importante, pois é aqui que ocorrem importantes mecânicas e transferência de calor entre diferentes moléculas.

Lyulin e seus colegas analisaram a transição de vidro do polímero em amostras a granel, mas estavam especialmente interessados ​​em filmes finos de poliestireno. No nível nanol, esses filmes são freqüentemente comparáveis ​​a ter uma espessura de molécula. Ao estudar a transição vítrea para polímeros nesta escala, Lyulin apontou que os pesquisadores querem aprender sobre a dinâmica relevante, bem como a estrutura.

"Em nosso jornal, estudamos apenas a estrutura de poliestireno e o que acontece com essa estrutura na transição vítrea quando você vai para muito fino, filmes de nanômetros de espessura, "Lyulin disse.

Ele observou que os autores do artigo estavam familiarizados com a pesquisa experimental que indicava de uma forma filme autônomo sem substrato, a temperatura de transição do poliestireno é muito baixa, em comparação com o do poliestireno a granel, com uma diferença de cerca de sessenta graus Celsius.

"É um efeito enorme - o maior efeito observado em filmes de polímero, "Lyulin disse." E então tentamos entender o porquê, o que há de tão específico sobre o poliestireno. "

Os autores levantaram a hipótese de que muitos dos anéis de benzeno no filme de poliestireno são empurrados para a periferia do filme, revelando um comportamento interessante dessas interações de anel, também chamadas de interações aromáticas ou pi-pi.

"Isso significa que as interações muito fortes entre os anéis de benzeno são de alguma forma enfraquecidas dentro do filme, "Lyulin disse." E por causa desse enfraquecimento, a transição vítrea ocorre em temperaturas mais baixas. "

Diferentes grupos dentro da equipe de pesquisa testaram essa hipótese com uma abordagem multifacetada. Um grupo preparou as amostras iniciais do filme, um fez simulações de computador e outro grupo ajudou a analisar os resultados.

Lyulin disse que a equipe também viu que a temperatura de transição foi influenciada pelas taxas de resfriamento do polímero. Eles testaram mais de 100 filmes de poliestireno de diferentes estruturas, espessura e em diferentes temperaturas, que demorou mais de seis meses, e a taxa de resfriamento da simulação de computador foi muitos pedidos mais rápida do que em experimentos.

Para Lyulin, a forte confirmação de sua hipótese um tanto surpreendente destaca que as descobertas oferecem percepções fundamentais sobre a estrutura molecular do filme de poliestireno à medida que a substância vítrea se aproxima da transição.

"Essas interações aromáticas pi-pi desempenham um papel muito, papel muito importante neste polímero específico e em qualquer polímero que contenha anéis aromáticos, "Lyulin disse." As interações pi-pi levam a uma orientação específica, ordenação desses grupos aromáticos e, em seguida, para a estrutura específica que tem consequências muito importantes para este material vítreo. "

Lyulin acrescenta que isso parece ocorrer com outros materiais não poliméricos, como o grafeno atualmente popular, que tem essas interações pi-pi entre seus anéis de carbono. Ele espera que ele e seus colegas continuem esta linha de pesquisa e comparem os resultados com outros teóricos e experimentalistas.

"Seria muito interessante estudar e comparar esse efeito dinamicamente, o que acontece com a mobilidade desses anéis, como eles relaxam e o que acontece com a mobilidade de outros segmentos de polímero ao resfriar no sistema, "Lyulin disse." Seria muito interessante comparar os valores de Tg (temperatura de transição) estáticos e dinâmicos ".