材料科學:化學工程師挑戰玻璃化轉變理論!

2021-01-17 緒初南

材料科學:化學工程師挑戰玻璃化轉變理論!

Greg McKenna,德克薩斯理工大學化學工程系的Horn教授和John R. Bradford主席Edward E. Whitacre Jr.工程學院發表了他的論文「測試理想玻璃轉換的範式:動力學超穩定的聚合物玻璃,「在Science Advances雜誌上發表。該論文的結果與長期存在的理論相悖。

「這項工作實際上正在挑戰玻璃化轉型的理論,」麥肯納說。「這非常重要,因為如果你在飛機上飛行,而且部件是用聚合物基複合材料製造的,那麼你希望能夠預測它們能持續多久並且更有效地完成它。為此,你必須對你正在使用的材料有正確的理論。這是非常基礎的,但也涉及應用的問題。「

為了驗證這一理論,McKenna和他的前研究生Heedong Yoon於5月份畢業並被列為該論文的第一作者,他發現了一種材料,就好像它有數億年的歷史,儘管它是技術上是一種新材料。

「我們發現我們可以進行氣相沉積- 這種過程中聚合物材料被迫進入蒸汽狀態並在特徵溫度下凝結到基板上,在這裡發生化學反應或轉化以形成固體材料- 在這種情況下一種無定形特氟龍玻璃,「McKenna說。「事實證明,這種玻璃處於一種狀態,就像它已經存在了1億年一樣。但挑戰是我們只製造了一些,最多只有微克,有時是納克的材料。我們想測試這些玻璃的動力學材料,但我們怎麼做?「

答案發現於2005年前德克薩斯理工大學化學工程系教授Paul O'Connell和McKenna發表在「科學」雜誌上。

「事實證明,在2005年,我們做了這項研究的另一個原因,就是研究納米尺度的材料,」McKenna說。「因此,我們採用了一種稱為德州技術納米氣泡膨脹法的方法,這是一種測量超薄聚合物薄膜粘彈性的實驗技術。我們能夠對其進行調整以測試這些納克級材料。我們發現的是我們能夠表徵的粘彈性響應,或材料的動力學,一直到Kauzmann溫度,或理想的玻璃溫度。

「我們能夠證明,玻璃化轉變的理論,我們說是分歧的,是錯誤的。這些理論自20世紀20年代以來一直存在。有些人真的不喜歡我們的結果,因為它違背了是近百年來的常識和理論。「

McKenna的研究結果可以幫助製造聚合物的人更好地預測他們在長期應用中的行為。

「如果工程師要在飛機設計方面做得越來越精細,並將這些材料用於高級應用,例如去火星,那麼他們真的需要知道聚合物如何隨著時間的推移而發展,」McKenna說。「如果我們所做的是對的,那就意味著聚合物的發展速度比人們想像的要快,而且當他們設計從微電子,汽車到先進太空飛行器的各種材料時,他們確實需要考慮到這一點 - 只要需要長期性能「。

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