محققان آزمایشگاه ملی آرگونه به بررسی سطح تماس میان پلیمر/هوا و پلیمر/زیرلایه پرداختند تا خواص مکانیکی لایه‌های پلیمری نانومقیاس را مورد مطالعه قرار دهند. هدف آنها تعیین رفتار مکانیکی لایه‌های درونی پلیمر و مکانیسم این رفتار است.
بررسی سطح تماس مواد پلیمری در مقیاس نانو
محققان آزمایشگاه ملی آرگونه به بررسی سطح تماس میان پلیمر/هوا و پلیمر/زیرلایه
پرداختند تا خواص مکانیکی لایه‌های پلیمری نانومقیاس را مورد مطالعه قرار
دهند. هدف آنها تعیین رفتار مکانیکی لایه‌های درونی پلیمر و مکانیسم این
رفتار است.
مدت‌هاست که محققان می‌دانند که خواص مکانیکی و فیزیکی مواد پلیمری در
مقیاس نانو تفاوت زیادی با مواد توده‌ای دارد که به آن اثر نانومحدودیت
گفته می‌شود. پلیمر به ماده‌ای اطلاق می‌شود که از یک ترکیب یا مخلوطی از
ترکیبات مختلف در حین فرآیندی به نام پلیمریزاسیون ایجاد میگردد که در
نهایت درون ماده پلیمری واحدهای ساختاری تکراری دیده می‌شود. اخیرا مشخص
شده است که سطح تماس میان پلیمر/هوا و پلیمر/زیرلایه نقش مهمی در اثر
محدودیت ایفا می‌کند. در سطح میان پلیمر/هوا، یک لایه متحرک وجود دارد که
که دینامیک زنجیره‌ای را افزایش می‌دهد در حالی که یک لایه ساکن روی
زیرلایه جامد ایجاد می‌شود بدون این که برهمکنشی با پلیمر داشته باشد. چنین
لایه ساکنی که همانند پیوند هیدروژنی π-π عمل می‌کند موجب کاهش دینامیک
زنجیره‌ای میگردد. تحقیقات پیشین نشان می‌دهد در مواد نانومقیاس نسبت به
مواد توده‌ای یک انحراف از مقدار میانگین وجود دارد، دلیل این انحراف برای
پژوهشگران مشخص نبوده و انگیزه اصلی از انجام این پروژه پاسخ این سوال است.
تصاویر نوری میدان تاریک از قطره‌های چاپ شده با جت جوهر روی بسترهای a) تمیز شده
با پلاسما، b) بدون اصلاح، و c) اصلاح شده با HMDS، مقیاس: ۲۰ میکرومتر. d) تصویر
SEM از الگوی چاپ شده.
به‌منظور درک اثرات بین سطحی در این فیلم‌ها و تعیین خواص رئولوژیکی، محققان
دانشگاه استونی بروک و آزمایشگاه آرگونه از اشعه ایکس و طیف سنجی XPCS استفاده
کردند. پلیمر مورد استفاده آنها پلی استایرن بود که درون آن از نانودذرات طلا
به‌عنوان نشانگر استفاده شده بود.
این گروه تحقیقاتی از یک روش جدید استفاده کرده تا حرکت نانوذرات طلا را درون پلیمر
رصد کنند که این حرکت نشان دهنده ویسکوزیته ماده و منعکس کننده خواص مکانیکی پلیمر
است. همچنین از دو مود دستگاه XPCS استفاده کرده تا دینامیک نانوذرات را در حین
حرکت رصد کنند.
نتایج نشان داد که در فیلم‌های ۱۰۰ نانومتری پلی استایرن، ویسکوزیته در بالاترین
سطح ( در عمق ۱۰ نانومتری) تقریبا ۳۰ درصد بیشتر از لایه میانی است. همچنین زنجیره
پلیمری در سطح پلیمر/هوا به‌صورت گیر افتاده بوده و دینامیک پلیمر توسط مکانیسم خزش
کنترل می‌شود. ( مکانیسم خزش: حرکت پلیمرها تابعی از پیچ و خم‌ها موجود در آنها
بوده و همانند خزیدن مار خواهد بود)
نتایج نشان می‌دهد که وجود یک توزیع غیریکنواخت درون فیلم نازک پلیمری تک لایه در
تعادل حرارتی حتمی است. در حالی که سطح تماس پلیمر/هوا به‌دلیل ویسکوزیته پایین،
پرتحرک است اختلالات زیادی در این سطح وجود دارد که این اختلالات با لایه ساکن
مرتبط است. در نتیجه ویسکوزیته به‌صورت منطقه‌ای افزایش یافته و فاصله از زیرلایه
کاهش می‌یابد.
