De la photonique à la pharmaceutique, les matériaux fabriqués avec des nanoparticules de polymère sont prometteurs pour les produits du futur. Cependant, il existe encore des lacunes dans la compréhension des propriétés de ces minuscules particules de type plastique.

Maintenant, Hojin Kim, un étudiant diplômé en génie chimique et biomoléculaire à l'Université du Delaware, avec une équipe de scientifiques collaborateurs de l'Institut Max Planck pour la recherche sur les polymères en Allemagne, l'Université de Princeton et l'Université de Trente, a découvert de nouvelles connaissances sur les nanoparticules de polymère. Les conclusions de l'équipe, y compris des propriétés telles que la mobilité de surface, température de transition vitreuse et module d'élasticité, ont été publiés dans Communication Nature .

Sous la direction du MPI Prof. George Fytas, l'équipe a utilisé la spectroscopie lumineuse Brillouin, une technique qui épelle les propriétés moléculaires des nanoparticules microscopiques en examinant comment elles vibrent.

"Nous avons analysé la vibration entre chaque nanoparticule pour comprendre comment leurs propriétés mécaniques changent à différentes températures, " Kim a dit. "Nous avons demandé, « Qu'est-ce qu'une vibration à différentes températures indique ? Qu'est-ce que cela signifie physiquement ?' "

Les caractéristiques des nanoparticules de polymère diffèrent de celles des particules plus grosses du même matériau. « Leur nanostructure et leur petite taille offrent des propriétés mécaniques différentes, ", a déclaré Kim. "Il est vraiment important de comprendre le comportement thermique des nanoparticules afin d'améliorer les performances d'un matériau."

Prenez du polystyrène, un matériau couramment utilisé en nanotechnologie. Les plus grosses particules de ce matériau sont utilisées dans les bouteilles en plastique, tasses et matériaux d'emballage.

"Les nanoparticules de polymère peuvent être plus flexibles ou plus faibles à la température de transition vitreuse à laquelle elles passent d'une texture rigide à une texture douce, et il diminue à mesure que la taille des particules diminue, " a déclaré Kim. C'est en partie parce que la mobilité des polymères à la surface des petites particules peut être activée facilement. Il est important de savoir quand et pourquoi cette transition se produit, puisque certains produits, telles que les membranes filtrantes, doivent rester forts lorsqu'ils sont exposés à une variété de conditions.

Par exemple, un gobelet en plastique jetable fabriqué avec du polystyrène polymère peut tenir dans l'eau bouillante, mais ce gobelet ne contient pas de nanoparticules. L'équipe de recherche a découvert que les nanoparticules de polystyrène commencent à subir la transition thermique à 343 Kelvin (158 degrés F), appelée température de ramollissement, en dessous d'une température de transition vitreuse de 372 K (210 F) des nanoparticules, juste en deçà de la température de l'eau bouillante. Lorsqu'il est chauffé à ce point, les nanoparticules ne vibrent pas, elles restent complètement immobiles.

Cela n'avait pas été vu auparavant, et l'équipe a trouvé des preuves suggérant que cette température peut activer une couche de surface très mobile dans la nanoparticule, dit Kim. Au fur et à mesure que les particules s'échauffent entre leur température de ramollissement et la température de transition vitreuse, les particules interagissaient de plus en plus entre elles. D'autres groupes de recherche ont précédemment suspecté que la température de transition vitreuse chute avec des diminutions de la taille des particules en raison des différences de mobilité des particules, mais ils ne pouvaient pas l'observer directement.

"En utilisant différentes méthodes et instruments, nous avons analysé nos données à différentes températures et vérifié qu'il y a quelque chose sur la surface des nanoparticules de polymère qui est plus mobile par rapport à son noyau, " il a dit.

En étudiant les interactions entre les nanoparticules, l'équipe a également découvert leur module d'élasticité, ou raideur.

Ensuite, Kim prévoit d'utiliser ces informations pour construire un film de nanoparticules qui peut régir la propagation des ondes sonores.

Eric Furst, professeur et président du département de génie chimique et biomoléculaire de l'UD, est également un auteur correspondant sur le papier.

"Hojin a pris la tête de ce projet et a obtenu des résultats au-delà de ce que j'aurais pu prédire, " a déclaré Furst. " Il incarne l'excellence dans la recherche doctorale en ingénierie au Delaware, et j'ai hâte de voir ce qu'il fera ensuite."