(PhysOrg.com) -- Le développement de nanostructures polymères et de dispositifs nanométriques pour une grande variété d'applications pourrait émerger de nouvelles informations sur l'interaction entre les interfaces nanométriques dans les matériaux polymères, grâce aux recherches menées à l'Advanced Photon Source (APS) du Département de l'énergie des États-Unis au Laboratoire national d'Argonne.

Il est bien connu que les propriétés physiques et mécaniques des matériaux polymères confinés à l'échelle nanométrique diffèrent sensiblement de la masse, l'effet dit « nanoconfinement ». Les matériaux polymères comprennent un composé ou un mélange de composés formé par polymérisation et constitué essentiellement d'unités structurelles répétitives, préparé sur des substrats solides impénétrables. Il est maintenant de plus en plus évident que l'interface air/polymère et l'interface polymère/substrat jouent un rôle crucial dans de tels effets de nanoconfinement :à l'interface air/polymère, il existe une couche mobile de surface qui améliore la dynamique de la chaîne, tandis qu'une couche adsorbée immobile formée sur des substrats solides sans interactions spécifiques d'un polymère (telles que l'empilement π-π ou les liaisons hydrogène) réduit la dynamique. Bien que la plupart des travaux antérieurs aient révélé les écarts de quantités "moyennes" de films nanométriques entiers par rapport à la masse, on s'attend à ce que les quantités locales dans le film soient différentes des moyennes, en fonction de l'interaction entre ces interfaces. C'est cette question sans réponse – à la fois théoriquement et expérimentalement – ​​qui a motivé la présente étude.

Afin de comprendre dans quelle mesure ces effets interfaciaux se propagent à l'intérieur du film et de déterminer la propriété rhéologique des matériaux polymériques en fonction de la distance aux interfaces, des chercheurs de l'Université Stony Brook et d'Argonne ont utilisé la ligne de lumière 8-ID de la division des sciences des rayons X de l'APS pour appliquer la spectroscopie de corrélation de photons aux rayons X (XPCS) à des films de polystyrène (PS) avec un système intégré de nanoparticules d'or qui agissent comme des marqueurs. Avec cette nouvelle technique, les chercheurs ont découvert que la dérive aléatoire (le mouvement brownien) des marqueurs suivait de manière adéquate la viscosité locale, qui contrôle l'écoulement et les propriétés mécaniques des matériaux polymères, régie par des enchevêtrements de chaînes. En outre, l'utilisation des deux modes d'éclairage avec des angles d'incidence différents pour XPCS leur a permis d'explorer in situ la dynamique des marqueurs à la surface la plus haute et la région proche du centre du film indépendamment.

Par conséquent, ils ont découvert que la viscosité de la surface la plus élevée (~ 10 nm de profondeur) dans les films PS (~ 100 nm d'épaisseur) est environ 30 % inférieure à celle au centre du film. De plus, Les résultats de XPCS concluent le débat de longue date quant à savoir si les chaînes polymères à la surface la plus élevée sont enchevêtrées ou non. Les chaînes polymères à l'interface air/polymère sont toujours enchevêtrées et la dynamique correspondante est régie par le mécanisme de reptation, qui décrit le mouvement à grande échelle « semblable à un serpent » de chaînes polymères enchevêtrées, comme dans le gros.

Ce travail rapporte également l'émergence de distributions de viscosité hétérogènes au sein de films minces polymères monocouches en équilibre thermique. Les chercheurs ont découvert que si l'interface polymère/air est plus mobile en raison de sa viscosité réduite, les perturbations à longue distance (~60 nm d'épaisseur dans ce cas), qui sont associées à la très fine couche immobile adsorbée (~ 7 nm d'épaisseur), entraîner une augmentation de type exponentielle de la viscosité locale avec une distance décroissante de l'interface du substrat.

Ainsi, les présents résultats apportent un nouvel éclairage sur l'interaction entre ces interfaces sur la propriété rhéologique locale, faciliter le développement de nouvelles nanostructures polymères et de dispositifs nanométriques à utiliser dans une grande variété de domaines.