Des physiciens de l'Institut de physique et de technologie de Moscou (MIPT) et de l'Université d'État Lomonossov de Moscou ont combiné l'analyse thermique et la diffusion des rayons X, deux techniques pour étudier la structure cristalline, dans une configuration expérimentale pour étudier les polymères semi-cristallins. Plus de 100 millions de tonnes de ces polymères sont produites chaque année pour fabriquer des tissus, matériaux d'emballage, prothèses neurales, et plus. Une compréhension approfondie de la structure et du comportement de ces matériaux est nécessaire pour synthétiser et traiter des polymères qui ne échouent pas même dans des conditions extrêmes et dans des applications spécialisées. Les résultats de la recherche ont été publiés dans Lettres de macro ACS et figurent sur la couverture du journal.

En observant le comportement d'un matériau à des températures changeantes, on peut déterminer sa capacité calorifique et quelques autres propriétés thermiques. Ce principe sous-tend l'analyse thermique, un ensemble de techniques de base pour la recherche sur les matériaux. Les auteurs ont découvert que l'analyse thermique peut produire de faux résultats lorsqu'elle est appliquée à des polymères semi-cristallins. Trouver et corriger les failles dans les données caractérisant le matériau, les physiciens ont amélioré la conception du calorimètre - le principal appareil de leur expérience d'analyse thermique - et ont réalisé des images aux rayons X de l'échantillon en cours de route.

Une expérience thermoanalytique court le risque que la structure de l'échantillon à l'étude puisse changer de manière incontrôlable, pendant qu'il est chauffé. Si ça arrive, les conclusions elles-mêmes s'appliqueront à certaines modifications incontrôlées du matériel d'origine. Ceci est particulièrement vrai pour les polymères semi-cristallins, dont la structure métastable est non seulement sensible à la température mais dépend également de l'histoire thermique de l'échantillon.

La structure d'un polymère semi-cristallin (figure 1) est particulière en ce que la longue chaîne polymère est en partie disposée en plis réguliers, connu sous le nom de lamelles cristallines, tandis qu'ailleurs, dans les régions dites amorphes, il serpente de façon imprévisible. Au fur et à mesure que la température change, cette structure peut se comporter de manière complexe. En particulier, le matériau peut présenter plusieurs événements de fusion au lieu d'un seul. Cependant, cela n'indique pas nécessairement un comportement thermodynamique complexe, puisque l'effet pourrait également s'expliquer par l'évolution de la structure du polymère au cours de l'analyse. Cela jette un doute sur les résultats d'expériences thermoanalytiques antérieures, car ils n'excluaient pas la possibilité d'une évolution de la structure du polymère.

Les chercheurs ont trouvé un moyen d'éliminer cette incertitude. Ils ont mis au point un dispositif expérimental pour étudier les polymères semi-cristallins qui combine l'analyse thermique et aux rayons X. Il s'est avéré que le paramètre critique est la vitesse de chauffage :Pour éviter les changements structurels de l'échantillon au cours de l'expérience, la température doit changer plus rapidement que la réorganisation structurelle du polymère ne se produit. Notamment, la vitesse de chauffage critique dépend de la température à laquelle le polymère a été cristallisé.

Le co-auteur de l'article, le professeur Dimitri Ivanov, qui dirige le Laboratoire des matériaux organiques et hybrides fonctionnels du MIPT et est directeur de recherche au Centre national de la recherche scientifique, a commenté les résultats de l'étude :« Nous démontrons que les résultats obtenus à l'aide de cette méthode [l'analyse thermique] pourraient être trompeurs, car ils dépendent des conditions expérimentales. Pour ne pas tomber dans ce piège, l'analyse thermique doit être complétée par une technique telle que la diffusion des rayons X."

Entre autres, les chercheurs ont étudié un polymère appelé polytriméthylène téréphtalate, ou PTT, cristallisé à 150 degrés Celsius. Ils ont découvert que lorsqu'ils sont chauffés à 500 degrés par seconde ou plus, il n'y a pas assez de temps pour que la structure du polymère change. Cependant, à une vitesse de chauffe relativement faible de 1 degré par seconde, Ce n'était pas le cas.

Ces découvertes ont été rendues possibles par un équipement calorimétrique amélioré. D'abord, les auteurs ont conçu et utilisé un calorimètre ultrarapide capable de fonctionner avec des changements de température rapides. Deuxièmement, l'appareil était associé à un diffractomètre à rayons X incorporant une source lumineuse synchrotron et un détecteur de rayons X ultrarapide. Ce détecteur, qui est suffisamment sensible pour repérer des photons uniques, a été utilisé pour surveiller les changements dans la structure du matériau avec une précision de la milliseconde.

En observant plusieurs pics de fusion de polymères semi-cristallins à différentes vitesses de chauffage, les auteurs ont prouvé que ce comportement peut en fait être la preuve d'une thermodynamique complexe par opposition à des changements structurels dans le matériau. Outre, l'étude souligne les limites d'applicabilité de l'équipement analytique largement utilisé, en soulignant son point faible, à savoir, le manque d'informations sur la structure de l'échantillon au cours de l'expérience. En améliorant leurs expériences d'analyse thermique avec une technique sensible à la structure telle que la diffusion des rayons X, d'autres chercheurs peuvent désormais mieux comprendre le comportement et les propriétés des polymères semi-cristallins, une classe de matériaux économiquement importante.