De fotônica a produtos farmacêuticos, materiais feitos com nanopartículas de polímero são promissores para produtos do futuro. Contudo, ainda existem lacunas na compreensão das propriedades dessas minúsculas partículas semelhantes a plástico.

Agora, Hojin Kim, um estudante de graduação em engenharia química e biomolecular na Universidade de Delaware, junto com uma equipe de cientistas colaboradores do Instituto Max Planck para Pesquisa de Polímeros na Alemanha, Universidade de Princeton e a Universidade de Trento, descobriu novos insights sobre nanopartículas de polímero. As descobertas da equipe, incluindo propriedades como mobilidade de superfície, temperatura de transição vítrea e módulo de elasticidade, foram publicados em Nature Communications .

Sob a direção do MPI Prof. George Fytas, a equipe usou a espectroscopia de luz Brillouin, uma técnica que analisa as propriedades moleculares de nanopartículas microscópicas examinando como elas vibram.

"Analisamos a vibração entre cada nanopartícula para entender como suas propriedades mecânicas mudam em diferentes temperaturas, "Kim disse." Nós perguntamos, 'O que uma vibração em diferentes temperaturas indica? O que isso significa fisicamente? ' "

As características das nanopartículas poliméricas diferem das de partículas maiores do mesmo material. "Sua nanoestrutura e tamanho pequeno fornecem diferentes propriedades mecânicas, "Kim disse." É realmente importante entender o comportamento térmico das nanopartículas para melhorar o desempenho de um material. "

Pegue o poliestireno, um material comumente usado em nanotecnologia. Partículas maiores deste material são usadas em garrafas plásticas, copos e materiais de embalagem.

"Nanopartículas de polímero podem ser mais flexíveis ou mais fracas na temperatura de transição vítrea em que amolecem de uma textura dura para uma macia, e diminui conforme o tamanho da partícula diminui, "Kim disse. Isso é em parte porque a mobilidade do polímero na superfície de pequenas partículas pode ser ativada facilmente. É importante saber quando e por que essa transição ocorre, já que alguns produtos, como membranas de filtro, precisa permanecer forte quando exposto a uma variedade de condições.

Por exemplo, um copo de plástico descartável feito com o poliestireno de polímero pode resistir em água fervente - mas esse copo não tem nanopartículas. A equipe de pesquisa descobriu que nanopartículas de poliestireno começam a experimentar a transição térmica em 343 Kelvin (158 graus F), conhecida como temperatura de amolecimento, abaixo de uma temperatura de transição vítrea de 372 K (210 F) das nanopartículas, um pouco abaixo da temperatura da água fervente. Quando aquecido a este ponto, as nanopartículas não vibram - elas ficam completamente imóveis.

Isso não tinha sido visto antes, e a equipe encontrou evidências que sugerem que esta temperatura pode ativar uma camada de superfície altamente móvel na nanopartícula, Kim disse. À medida que as partículas aquecem entre a temperatura de amolecimento e a temperatura de transição vítrea, as partículas interagiam cada vez mais umas com as outras. Outros grupos de pesquisa já suspeitaram que a temperatura de transição vítrea cai com diminuições no tamanho das partículas devido às diferenças na mobilidade das partículas, mas eles não podiam observá-lo diretamente.

"Usando diferentes métodos e instrumentos, analisamos nossos dados em diferentes temperaturas e verificamos que há algo na superfície da nanopartícula do polímero que é mais móvel em comparação com seu núcleo, " ele disse.

Ao estudar as interações entre as nanopartículas, a equipe também descobriu seu módulo de elasticidade, ou rigidez.

Próximo, Kim planeja usar essas informações para construir um filme de nanopartículas que pode controlar a propagação das ondas sonoras.

Eric Furst, professor e presidente do Departamento de Engenharia Química e Biomolecular da UD, também é autor correspondente no artigo.

"Hojin assumiu a liderança neste projeto e alcançou resultados além do que eu poderia ter previsto, "disse Furst." Ele exemplifica a excelência em pesquisa de doutorado em engenharia em Delaware, e mal posso esperar para ver o que ele fará a seguir. "