p Polímeros são usados ​​para uma infinidade de aplicações hoje, e talvez a propriedade mais importante que dita qual polímero é escolhido para uma determinada aplicação seja sua "temperatura de transição vítrea". Muitos polímeros industriais possuem uma estrutura molecular irregular que torna impossível sua cristalização. Como um material polimérico resfria de uma alta temperatura acima de sua temperatura de transição vítrea, ele se transforma de um líquido em um vidro quando a temperatura de transição é atingida. p Embora um material polimérico tenha um amorfo, estrutura líquida em seu estado vítreo, a mobilidade das moléculas é tão baixa que elas estão essencialmente congeladas. Muitos plásticos duros são, na verdade, vítreo. Poliestireno, por exemplo, tem uma temperatura de transição vítrea de cerca de 100 C - em temperatura ambiente, ele se comporta como um material sólido. Mas à medida que sua temperatura se aproxima da temperatura de transição vítrea, As propriedades mecânicas do poliestireno mudam drasticamente.

p Isso torna a capacidade de aproximar as transições de vidro para geometrias confinadas em polímeros altamente desejável. E agora, como um grupo de pesquisadores da Universidade do Novo México e do relatório do Instituto de Mineração e Tecnologia do Novo México na edição desta semana do Journal of Chemical Physics , eles desenvolveram uma fórmula simples para fazer exatamente isso.

p “Com o desenvolvimento da nanotecnologia, polímeros encontraram muitas aplicações que requerem seu uso em 'geometrias confinadas', como canais estreitos, poros pequenos, e filmes finos, "explicou o co-autor do estudo, John Curro, professor adjunto do Instituto de Mineração e Tecnologia do Novo México

p Nos últimos 20 anos, experimentos mostraram que quando os polímeros são usados ​​em uma geometria confinada, sua transição vítrea "não é necessariamente a mesma que para o polímero 'não confinado' ou em massa correspondente, "Curro disse." Geralmente é abaixado, como é o caso de filmes independentes com duas superfícies livres, mas também pode aumentar para líquidos contra substratos de forte atração. "

p A mudança na transição do vidro depende sensivelmente da espessura do filme - quanto mais fino o filme, maior o efeito. "Essa mudança pode ser extraordinariamente grande, "Curro disse." Por exemplo, a temperatura de transição vítrea de um filme de poliestireno de 20 nanômetros foi medida até 70 C mais baixa do que o poliestireno em massa. Claramente, esta fina película de poliestireno não é mais um material plástico rígido. "

p Quanto às aplicações potenciais, "o fato de que as propriedades do polímero em geometrias confinadas são diferentes do que em massa pode ter implicações importantes para a fotolitografia, nanocompósitos, micromáquinas, e dispositivos lab-on-a-chip, "Disse Curro.

p Então, por que a transição vítrea de um polímero confinado é diferente da de seu material a granel correspondente?

p "Nossa hipótese é que é devido a um efeito de densidade, "Curro disse." Em um líquido a granel não confinado, a densidade é constante em toda a amostra. Por contraste, a densidade de moléculas de um líquido confinado não é uniforme por causa das restrições impostas pela geometria. "

p A densidade de um filme independente, por exemplo, é essencialmente zero nas duas superfícies, mas aumenta para perto da densidade aparente no centro. "Uma vez que a temperatura de transição vítrea depende fortemente da densidade, esperamos que a temperatura de transição vítrea local varie da mesma forma ao longo do filme, "Curro disse." Em um experimento de laboratório, a temperatura de transição vítrea medida representa a resposta média do material dentro do filme. A densidade média de um filme independente é geralmente diferente de sua densidade aparente, e segue-se que as temperaturas de transição vítrea também serão diferentes. "

p Portanto, o grupo explorou se a temperatura de transição vítrea de um líquido confinado seria a mesma de um polímero bruto hipotético - não em sua densidade aparente normal, mas sim a uma densidade igual à densidade média do polímero confinado.

p Para testar, eles queriam medir o perfil de densidade e a temperatura do vidro no mesmo filme fino. Essas medições seriam difíceis de realizar em laboratório.

p "Nossa abordagem foi usar simulações de computador de 'dinâmica molecular' para estudar filmes líquidos finos que consistem em moléculas de cadeia curta, "Curro disse." Também realizamos simulações de computador do sistema de massa correspondente. Isso nos permitiu comparar as temperaturas de transição vítrea de filmes finos de várias espessuras com a temperatura de transição vítrea em massa nas mesmas cadeias de modelos. "

p Para eficiência computacional, o grupo usou um modelo idealizado de 10 esferas para representar as moléculas. Ao fazê-lo, eles "estabeleceram uma conexão entre as temperaturas de transição vítrea de um polímero em uma geometria restrita e o polímero em massa correspondente, "Curro disse." Isso nos permitiu desenvolver uma fórmula simples para estimar a transição vítrea de um líquido confinado a partir da temperatura de transição vítrea em massa e um conhecimento do perfil de densidade do sistema confinado. "

p Também é importante notar que os resultados do grupo se aplicam apenas a polímeros de baixo peso molecular e vidros de pequenas moléculas.

p "Efeitos sutis do peso molecular são observados experimentalmente em pesos moleculares elevados quando o tamanho médio da cadeia é comparável à espessura do filme, portanto, o alto peso molecular será um tópico para futuras investigações, "Disse Curro.