В МГУ разработали установку для исследования полимеров

Ученые химического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова совместно с зарубежными коллегами разработали компактную установку для одновременного изучения термических свойств и наноструктуры полимеров. Она может быть использована на российских синхротронах, в том числе на Сибирском кольцевом источнике фотонов (СКИФ). Такое оборудование необходимо для исследования полимеров при быстрых изменениях температуры, характерных для их переработки. Исследование получило поддержку от Российского научного фонда. При литье под давлением, экструзии и других способах переработки полимеров материал быстро нагревается и охлаждается. В этих условиях молекулярные цепи формируют и перестраивают кристаллические области, определяющие внутреннее строение готового изделия. Чтобы установить связь между температурным режимом и формирующейся структурой, необходимо одновременно измерять тепловые эффекты и наблюдать за изменениями материала на нанометровом уровне. «Разработанная нами установка позволит использовать возможности российских синхротронов, включая СКИФ, для решения фундаментальных и прикладных задач науки о материалах. При исследовании полимеров такой инструмент необходим, поскольку их структура может существенно изменяться за тысячные доли секунды. Одновременная регистрация тепловых эффектов и структурных изменений поможет раскрыть механизмы кристаллизации и плавления, установить связь между условиями переработки и строением материала. Это даст научную основу для создания полимерных материалов с заданными свойствами и выбора оптимальных режимов их переработки», — отмечает соавтор исследования Дмитрий Иванов, заведующий лабораторией на факультете фундаментальной физико-химической инженерии МГУ. Особенно важно, чтобы скорость изменения температуры в эксперименте соответствовала скорости исследуемых процессов. Обычные лабораторные устройства часто позволяют нагревать и охлаждать образец лишь на несколько десятков градусов в минуту. За это время исходная структура полимера может успеть существенно измениться. Поэтому сверхбыстрый температурный контроль в сочетании с синхронными структурными измерениями становится необходимым условием достоверного исследования быстрых фазовых превращений. В новой установке авторы объединили сверхбыструю калориметрию на чипе с малоугловым рассеянием синхротронного рентгеновского излучения. Калориметр регистрирует поглощение или выделение тепла, а рентгеновское рассеяние позволяет определять параметры наноструктуры. Миниатюрный сенсор обеспечивает нагревание и охлаждение со скоростью до нескольких тысяч градусов в секунду. Синхронная запись двух сигналов показывает, какие структурные изменения сопровождают наблюдаемые тепловые переходы. Ключевое преимущество разработки для российских исследовательских центров заключается в ее модульной конструкции. Калориметр, оптический микроскоп и система позиционирования объединены в компактный блок, который можно переносить между синхротронными станциями малоуглового рассеяния без существенной переделки их оборудования. Это создает основу для применения установки на СКИФе и других российских синхротронах, где она позволит изучать термические свойства и структуру полимеров в едином эксперименте. Работоспособность установки проверили на станции ID02 Европейского центра синхротронного излучения ESRF в Гренобле. Исследователи обеспечили точное совмещение миниатюрного образца с рентгеновским пучком и снизили фоновое рассеяние. Для образцов массой порядка 100 нанограммов удалось получать данные, пригодные для количественного анализа наноструктуры, за несколько миллисекунд. В качестве модельного соединения полиэтилена использовали длинноцепочечный алкан C₃₉₀H₇₈₂. Его молекулы имеют одинаковую длину и при кристаллизации складываются, образуя тонкие пластинчатые кристаллы — ламеллы. Изменение скорости охлаждения позволило получать пластинки толщиной примерно от 9 до 19нанометров: чем медленнее охлаждали расплав, тем толще становились кристаллы. При последующем нагревании со скоростью 1000 градусов в секунду средняя толщина кристаллических пластинок заметно увеличивалась вблизи начала плавления всего за 15 миллисекунд. Это может отражать как перестройку кристаллов, так и преимущественное плавление наиболее тонких пластинок. Результат показывает, что даже при сверхбыстром нагревании структура материала успевает измениться, а значит, эти изменения необходимо учитывать при интерпретации его термического поведения. Оснащение российских синхротронных станций такими модулями позволит проводить комплексные исследования полимеров в условиях, приближенных к технологическим. Для этого необходимы точное управление температурой, измерение тепловых эффектов и одновременная регистрация структуры — все эти возможности объединены в разработанной установке. Ее применение на СКИФе и других российских источниках поможет выяснить, как формируется структура полимерных материалов, и научно обосновать выбор режимов их переработки. В работе участвовали исследователи МГУ, Лёвенского католического университета, Сианьского университета Цзяотун, Шеффилдского университета и Института материаловедения в Мюлузе (CNRS, Франция). Фото: МГУ