Специалисты Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова вместе с зарубежными коллегами разработали компактное оборудование для изучения полимерных материалов. Новая установка позволяет одновременно фиксировать изменения температуры и внутренней структуры вещества на нанометровом уровне. Технологию планируется применять на российских синхротронах, включая Сибирский кольцевой источник фотонов (СКИФ). Об этом сообщает «Научная Россия» со ссылкой на пресс-службу университета.
Российские ученые разработали новый способ исследования полимеров
Созданная установка предназначена для изучения процессов, происходящих внутри полимерных материалов при резком изменении температуры. Подобные исследования необходимы для совершенствования технологий производства пластмасс и других изделий с заранее определенными характеристиками.
При промышленной переработке полимеры подвергаются быстрому нагреванию и последующему охлаждению. Такие процессы происходят, например, во время литья под давлением и экструзии, когда материал продавливают через специальное формующее отверстие.
В результате температурного воздействия молекулярные цепочки изменяют свое расположение, образуя и перестраивая кристаллические участки. Именно особенности этих структур во многом определяют свойства готовой продукции.
Однако наблюдать за происходящими изменениями достаточно сложно. Некоторые преобразования занимают всего несколько тысячных долей секунды.
Обычное лабораторное оборудование зачастую не позволяет воспроизводить настолько быстрые температурные процессы. Скорость нагревания и охлаждения в таких приборах обычно ограничивается несколькими десятками градусов в минуту.
За это время внутренняя структура исследуемого вещества может существенно измениться, что затрудняет получение достоверных данных.
Как работает новая установка МГУ
Для решения этой проблемы исследователи объединили два метода изучения материалов в одном компактном устройстве.
Первый основан на сверхбыстрой калориметрии и позволяет определять количество тепла, которое образец поглощает или выделяет при изменении температуры.
Второй метод использует малоугловое рассеяние синхротронного рентгеновского излучения. Благодаря ему ученые могут наблюдать за особенностями строения вещества на уровне нанометров.
Миниатюрный датчик способен нагревать и охлаждать исследуемый материал со скоростью до нескольких тысяч градусов в секунду.
При этом оба измерения проводятся одновременно. Такой подход позволяет устанавливать непосредственную связь между температурными изменениями и перестройкой внутренней структуры полимера.
По словам одного из авторов разработки Дмитрия Иванова, возглавляющего лабораторию факультета фундаментальной физико-химической инженерии МГУ, новая технология открывает дополнительные возможности для фундаментальных и прикладных исследований.
Ученый пояснил, что одновременное получение температурных и структурных данных поможет подробнее изучить механизмы плавления и кристаллизации материалов.
Кроме того, оборудование позволит определить, каким образом условия промышленной переработки влияют на конечные характеристики полимерных изделий.
Разработку российских ученых испытали во Франции
Работоспособность новой установки уже проверили в Европейском центре синхротронного излучения, расположенном во французском Гренобле.
Эксперименты проводились на исследовательской станции, предназначенной для изучения структуры материалов с помощью рентгеновского излучения.
Специалистам удалось точно расположить миниатюрные образцы относительно рентгеновского пучка и уменьшить влияние постороннего рассеяния на результаты измерений.
В ходе испытаний исследователи использовали образцы массой около 100 нанограммов.
Даже при столь небольшом количестве вещества оборудование обеспечило получение информации, достаточной для количественного анализа наноструктуры, всего за несколько миллисекунд.
Результаты подтвердили возможность изучения быстропротекающих процессов, которые трудно зафиксировать с помощью традиционных лабораторных приборов.
Новое оборудование планируют использовать на синхротроне СКИФ
Одним из основных преимуществ разработки стала модульная конструкция.
Компактное устройство объединяет измерительную систему, оптический микроскоп и механизмы точного позиционирования образцов.
Благодаря такому решению установку можно перемещать между исследовательскими станциями и подключать к действующему оборудованию без значительной модернизации инфраструктуры.
Это особенно важно для российских научных центров, где планируется проводить эксперименты с использованием синхротронного излучения.
В частности, разработка подходит для исследований на Сибирском кольцевом источнике фотонов.
Применение новой технологии позволит ученым наблюдать за изменением полимерных материалов в условиях, приближенных к реальным производственным процессам.
Авторы рассчитывают, что полученные данные помогут ускорить разработку веществ с необходимыми свойствами и подобрать наиболее эффективные температурные режимы их промышленной обработки.
В исследовании участвовали специалисты из пяти стран
Разработка стала результатом международного научного сотрудничества.
Помимо сотрудников Московского государственного университета, в проекте принимали участие ученые Лёвенского католического университета в Бельгии, Сианьского университета Цзяотун в Китае и Шеффилдского университета в Великобритании.
Также к работе присоединились специалисты Института материаловедения во французском городе Мюлузе.
Финансовую поддержку исследованию оказал Российский научный фонд.
Научная статья с описанием оборудования и результатов испытаний опубликована в специализированном издании «Журнал синхротронного излучения».
По мнению разработчиков, использование подобных установок позволит расширить возможности российских исследовательских центров и повысить точность изучения полимеров.
Новые методы измерений помогут лучше понимать процессы формирования внутренней структуры материалов и использовать эти знания при создании продукции с заданными характеристиками.