(PhysOrg.com) - O desenvolvimento de nanoestruturas de polímero e dispositivos em nanoescala para uma ampla variedade de aplicações pode surgir de novas informações sobre a interação entre interfaces em nanoescala em materiais poliméricos, graças à pesquisa realizada no Advanced Photon Source (APS) do Departamento de Energia dos EUA no Laboratório Nacional de Argonne.

É bem conhecido que as propriedades físicas e mecânicas dos materiais poliméricos confinados em nanoescala diferem substancialmente do volume, o chamado efeito de “nanoconfinamento”. Os materiais poliméricos compreendem um composto ou mistura de compostos formados por polimerização e consistindo essencialmente em unidades estruturais repetidas, preparado em substratos sólidos impenetráveis. Há agora evidências crescentes de que a interface ar / polímero e a interface polímero / substrato desempenham papéis cruciais em tais efeitos de nanoconfinamento:Na interface ar / polímero, existe uma camada de superfície móvel que melhora a dinâmica da cadeia, enquanto uma camada adsorvida imóvel formada sobre substratos sólidos sem interações específicas de um polímero (como empilhamento π-π ou ligações de hidrogênio) reduz a dinâmica. Embora a maioria dos trabalhos anteriores tenha revelado os desvios das quantidades "médias" de filmes nanométricos inteiros em relação ao volume, espera-se que as quantidades locais dentro do filme sejam diferentes das médias, dependendo da interação entre essas interfaces. Foi essa questão sem resposta - teórica e experimentalmente - que motivou o presente estudo.

A fim de entender em que medida esses efeitos interfaciais se propagam para o interior do filme e para determinar a propriedade reológica dos materiais poliméricos em função da distância das interfaces, pesquisadores da Stony Brook University e Argonne utilizaram a linha de luz 8-ID da Divisão de Ciência de raios X no APS para aplicar espectroscopia de correlação de fótons de raios-X (XPCS) a filmes de poliestireno (PS) com um sistema incorporado de nanopartículas de ouro que atuam como marcadores. Com esta nova técnica, os pesquisadores descobriram que a deriva aleatória (o movimento browniano) dos marcadores rastreou adequadamente a viscosidade local, que controla o fluxo e as propriedades mecânicas dos materiais poliméricos, governado por emaranhados de corrente. Além disso, o uso dos dois modos de iluminação com diferentes ângulos de incidência para XPCS permitiu que explorassem in situ a dinâmica do marcador na superfície superior e na região próxima ao centro do filme de forma independente.

Como resultado, eles descobriram que a viscosidade da superfície superior (~ 10 nm de profundidade) em filmes PS (~ 100 nm de espessura) é cerca de 30% menor do que no centro do filme. Além disso, Os resultados do XPCS concluem o debate de longa data sobre se as cadeias de polímero na superfície superior estão emaranhadas ou não. As cadeias de polímero na interface ar / polímero ainda estão emaranhadas e a dinâmica correspondente é governada pelo mecanismo de reptação, que descreve o movimento em grande escala "semelhante a uma cobra" de cadeias de polímero emaranhadas, como no volume.

Este trabalho também relata o surgimento de distribuições heterogêneas de viscosidade em filmes finos de polímero de camada única em equilíbrio térmico. Os pesquisadores descobriram que, embora a interface polímero / ar seja mais móvel devido à sua viscosidade reduzida, as perturbações de longo alcance (~ 60 nm de espessura, neste caso), que estão associados com a camada adsorvida imóvel muito fina (~ 7 nm de espessura), resultar em um aumento do tipo exponencial na viscosidade local com a diminuição da distância da interface do substrato.

Assim, as presentes descobertas lançam uma nova luz sobre a interação entre essas interfaces na propriedade reológica local, facilitando o desenvolvimento de novas nanoestruturas de polímero e dispositivos em nanoescala para serem usados ​​em uma ampla variedade de campos.