Considérez le pneu humble. Assis dehors par une froide journée d'hiver, c'est dur comme une pierre, pourtant en filant sous un drag racer, un pneu devient chaudement pliable. Pour les matériaux du quotidien, du verre au caoutchouc au plastique, ces changements fondamentaux de comportement sont déterminés par la température de transition vitreuse.

Pour les ingénieurs essayant de trouver de nouveaux matériaux tels que les plastiques résistants à la température ou le verre flexible, la température de transition est critique. Pourtant, ce n'est pas bien compris, en particulier au niveau des éléments constitutifs moléculaires de la matière - l'échelle nanométrique, à peine des milliardièmes de mètre. Dans ce petit royaume, les ingénieurs doivent contrôler la température de transition avec une précision sans précédent pour créer des matériaux avancés dotés de propriétés révolutionnaires.

Le travail était au centre du temps de Dane Christie en tant qu'étudiant diplômé en génie chimique et biologique à Princeton. Aujourd'hui scientifique des matériaux chez Corning Inc., Christie a dirigé le développement d'un outil sondant la transition tempérée à l'échelle nanométrique dans le cadre de sa thèse de doctorat. Richard s'inscrire, le professeur Eugene Higgins de génie chimique et biologique, et Rodney Priestley, professeur agrégé de génie chimique et biologique, co-conseillé Christie au cours de son projet. Les professeurs de Princeton sont co-auteurs avec Christie de deux études décrivant l'outil et ses premières découvertes, Publié dans ACS Science centrale en février 2018 et Lettres d'examen physique en décembre 2018.

Le nouvel outil mesure les températures de transition dans les substances composées de deux types de plastiques, ou polymères. Les deux polymères ne se mélangent pas uniformément, au lieu de cela formant des régions riches en un polymère ou l'autre. Les températures de transition dans ces régions ne correspondent souvent pas aux températures normales des polymères parents, poser des problèmes de conception, fabrication et déploiement de matériaux nanométriques.

Parce que les deux polymères résistent au mélange, la concentration de chaque composant polymère varie souvent sensiblement sur de minuscules zones. Par conséquent, comprendre les différentes températures de transition dans un mélange de polymères, les scientifiques doivent mesurer avec précision les concentrations en plusieurs points sur de petites échelles.

L'outil Princeton y parvient en attachant des « étiquettes » de reporter fluorescentes pour sélectionner des molécules dans chacun des polymères. La luminosité des étiquettes dépend de si la région moléculaire dans laquelle elles se trouvent est vitreuse ou caoutchouteuse. De cette façon, l'outil révèle la température de transition locale, offrant un aperçu des facteurs qui influencent ce déterminant essentiel du comportement des matériaux.

"De telles informations résolues spatialement ont longtemps été recherchées, mais personne ne savait comment aborder le problème, puisque nous n'avons pas de sondes mécaniques capables de mesurer la température de transition à l'échelle nanométrique, " a déclaré Register. " Maintenant que nous avons démontré l'approche, nous et d'autres dans le domaine pouvons l'utiliser ou nous appuyer dessus pour interroger d'autres systèmes polymères complexes. »

Register et Priestley ont eu l'idée générale du projet de thèse de Christie dans le cadre d'une proposition de groupe de recherche interdisciplinaire au Princeton Center for Complex Materials, où Priestley est directeur associé. Après avoir d'abord identifié le système polymère qu'ils voulaient qu'il étudie, Christie a couru avec. Il a créé divers polymères en laboratoire, caractérisé leur structure moléculaire et effectué les mesures de fluorescence.

"J'ai synthétisé une tonne de polymères, " a déclaré Christie. "Je dois avoir synthétisé plus de 60 architectures de polymères uniques afin de terminer cette étude."

Christie a effectué le travail de synthèse des polymères dans le laboratoire de Register et a effectué la caractérisation des matériaux dans le laboratoire de Priestley. Tout au long du projet, Register et Priestley ont étroitement conseillé Christie, par le biais de rencontres individuelles ou collectives, en le guidant en collaboration alors que son travail commençait à fournir des informations importantes sur la chimie des polymères nanostructurés.

« Nous avons chacun apporté nos connaissances et nos forces à la collaboration :mine en synthèse et caractérisation de copolymères à blocs, Rod's dans les mesures de fluorescence et la transition vitreuse, " dit Registre.

Le système modèle examiné au cours du projet consistait en une combinaison de deux polymères, PMMA et PBMA. Le premier est un verre acrylique, avec des noms commerciaux tels que Plexiglas, tandis que ce dernier se trouve dans les peintures et aussi les stents cardiovasculaires. Les chercheurs ont choisi ces polymères particuliers en raison de la différence spectaculaire de leurs températures de transition :105 degrés Celsius (221 degrés Fahrenheit) pour le PMMA et 20 degrés Celsius (68 degrés Fahrenheit) pour le PBMA. Cette grande division a rendu les perturbations de la température de transition plus faciles à observer et à quantifier. Plus loin, la composition chimique des deux substances a permis de placer une unité polymère spéciale avec une molécule photosensible à n'importe quelle position souhaitée dans les structures en forme de chaîne des substances. L'approche ciblée a permis à Christie de prendre des mesures de fluorescence en rapportant la température de transition n'importe où à l'intérieur des polymères mélangés.

Lorsqu'il est analysé à l'aide d'un modèle de calcul, les mesures ont mis en lumière le fonctionnement interne des interactions des deux polymères. Les molécules individuelles de chaque polymère ont été affectées dans leur température de transition non seulement par leurs concentrations locales variables, mais aussi par leur proximité et leur attachement par liaison chimique à des régions de concentrations différentes, comme indiqué dans le document scientifique central de l'ACS.

Les Lettres d'examen physique papier a affiné cela plus loin. Pour cette étude de suivi, Christie a accroché des étiquettes fluorescentes sur des chaînes polymères loin de l'interface de deux régions moléculaires, tester l'impact de la proximité par rapport au lien réel. Cette étude a indiqué que ce dernier mécanisme de fixation avait l'effet le plus significatif sur la température de transition.

"Résistant à la théorie fondamentale et mal défini dans l'expérience, pourtant au cœur de tant de processus et d'applications, la transition vitreuse représente un défi permanent en science des polymères, " a écrit Timothy Lodge, professeur de génie chimique et de science des matériaux à l'Université du Minnesota, dans un commentaire en ACS Science centrale sur les travaux des chercheurs de Princeton.

"Grâce à une combinaison élégante de synthèse avancée et d'expérience précise, Christie, Register et Priestley rapportent la première mesure directe de la température de transition en fonction de l'emplacement dans un matériau polymère nanostructuré en vrac, " a écrit Lodge, qui n'a pas participé à la recherche. "Ce travail ouvre la porte à un large éventail d'études complémentaires."

De telles études pourraient se concentrer sur une meilleure compréhension et l'amélioration des types familiers de polymères chargés, comme ceux qui constituent les pneus en caoutchouc. D'autres voies consistent à concevoir de nouveaux matériaux prometteurs à base de nanocomposites, qui pourraient présenter une flexibilité ou une résilience extrême au stress. D'autres applications encore incluent la conception de membranes artificielles pour une utilisation dans les piles à combustible, batteries avancées et traitement de l'eau.

« Bien que nous ayons utilisé un marqueur et une chimie de polymérisation particuliers pour notre système, l'approche générale ne se limite pas à cela, " a déclaré Priestley. " L'approche que nous avons tous développée et que Dane a exécutée avec tant de succès pourrait maintenant être appliquée à des systèmes polymères complexes d'intérêt pratique. "