מבוא: Probing Polymer Micro Structure with Synchrotron קרינה

פולימרים הם עמוד השדרה של מדעי החומרים המודרניים, המופיעים בכל דבר ממזג אוויר חד פעמי לרכיבים אוויריים בעלי ביצועים גבוהים, תכונותיהם המקרוסקופיות - סטראט, גמישות, יציבות תרמית, ואמינות ביולוגית - נשלטים ישירות על ידי סידור של רשתות מולקולריות במיקרומטר ומיקרומטר, הבנה של מיקרומטר זה לא רק רדיפה אקדמית; חיוני למהנדסים ומדענים המעוניינים לייעלות, אלא גם על ידי שיטות מחקר אינטנסיביות של קרינה רנטגן.

מהו קרינת סינכרון?

קרינה סינכרון היא קרינה אלקטרומגנטית הנפלטת כאשר חלקיקים טעונים - אלקטרונים נטולי רחמים או positrons - מואצת למהירויות יחסיות ונאלצת לנסוע לאורך מסלול מעוקל על ידי שדות מגנטיים.האור וכתוצאה מכך משתרע על טווח אנרגיה רחב, מ- Fred-S-8 קרינה אינפרא אדום קשה, ומאופיין על ידי גירוי קיצוני (הוראות גבוהות של גודל בהיר יותר מ X-ray), צינורות קרינה גבוהה, כגון לוחות זמנים מתקדמים, כגון הדבקה של יפן, כגון מתקנים מתקדמים), קרינת CUS) קרינת קירור (SRF) ו-S) כדי להפעיל את המשתנים מתקדמים, כגון מתקנים מתקדמים, כגון מתקנים מתקדמים, 000) ריצוף כהה (Sארוכים) קרינת קירור (S) , 000) קרינת אחסון קיצוניים (S) קרינת קירור (Sארוכים) , 000) קרינת אחסון גבוה, 000, 000, 000, 000, 000, 000) , 000 מהירות גבוהה, 000) ומאופיינת על ידי קרינת קינכרון מוקדם יותר, 000 מהירות גבוהה, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000) קרינת הגנה אווירית (Sארוכים) קרינת קימורגנים, 000 מהירות גבוהה, 000 מהירות גבוהה

הנכס המרכזי של קרינה סינכרון של מחקר פולימרים הוא טונה שלו. על ידי בחירת אורך גל ספציפי (אנרגיה) עם מונוכרמורמורטור, החוקרים יכולים להתאים את הקצוות של ספיגת רנטגן של אלמנטים מסוימים או לנצל את הניגוד המתפזר בין גבישי לבין שלבים amorphous.יתר על כן, את הדגימה הגבוהה מאפשרת ניסויים כי יהיה בלתי אפשרי עם מקורות מעבדה, כגון הדמיה פולימרית עבה ללא דגימות פולימריות או ספיגת מהירה של חומרים מעקב אחר גירוי, כמו גם חומרים מטבוליים במהירות גבוהה.

Polymer Micro Structure: A Hierarchy of Order

לפני ההתבוננות בשיטות האנליטיות, יש צורך להגדיר מה הכוונה על ידי מיקרו-מיקרו-מיקרו-פולימרי.בניגוד גבישים קטנים-מולקוליים, פולימרים לעתים רחוקות להשיג סדר מושלם, לטווח ארוך. במקום זאת, הם מציגים מבנה היררכי.ברמה המולקולרית, הרצף הכימי העיקרי (למשל, אסתטיקה לעומת אינטגרטיביים) מתקפלים ובתוך הקשקשים בגודל של שרשרת אופטית (Ric) עלולים למחצה, אפילו באזורים דמויי- ⁇ ים למחצה), אפילו באזורים מורכבים יותר, אפילו מתחת לכדי ספקטרום מכניים למחצה, אפילו מתחת לכדי ספקטרום אופטיים למחצה, אפילו מתחת לכדי ספקטרום אופטיים בגודלם, אפילו מתחת לכדי עיגולים בגודלם, עלולים למחצה, עלולים למחצה, אפילו מתחת לכדי ספקטרום אופטיים למחצה, אפילו לכדי עיגולים בגודלם בגודלם בגודלם, מתחת לכדי עיגולים (Ric למחצה, אשר עלולים למחצה), אשר עלולים למחצה, מתחת לכדי מחסנים בגודלם, אפילו מחסנים, מתחת לכדי ספקטרום אופטיים למחצה, מתחת לכדי גלקסיות אופטיים למחצה, לעומת ⁇ (Ric למחצה), המשתנים בגודלם, מתחת לכדי ⁇ (Ric למחצה),

תכונות מיקרו-מבנה עיקריות כוללות:

  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ,0) , שלב חולות שלב חולפת (Amorphous Phase MobilityFLT:1) - שולט בטמפרטורת מעבר זכוכית ומצמרון
  • (ב) [15] , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ,0) הפרדה בין פלס בתערובת וחסימת כפייתי 1:1 - שולט בבהירות אופטית וסינרגיה מכנית
  • (ב) פיזור (למשל, צינורות פחמן, סיליקה) , סימול 1 - משפיע על ⁇ חשמלית ומכנית

מאפיין תכונות אלה עם רזולוציה מרחבית גבוהה וזמנית הוא התחום של טכניקות קרינה סינכרון.

טכניקות קי Synchrotron עבור Polymer Micro Structure

כמה שיטות מבוססות סינכרון משלימים מוחלות באופן שגרתי על מערכות פולימרים.כל אחד מספק חתיכה שונה של פאזל מיקרו-מבנה, ויחד, הם מציעים תמונה כמעט שלמה של אטומי לקשקשים מקרוסקופיים.

קרינת רנטגן קטנה (SAXS)

SAXS חוקר מבנים בגודל של 1-100 nm. בפולימרים, זה רגיש להפליא לספיגה הממוצעת בין גבישי לימלר (התקופה הארוכה), עובי של קריסטל ושכבות amorphous, ואת הצורה והפצה של חלקיקים מכניים של צינורות אוויריים, כי אינטנסיביות מפוזרת עולה מהבדלים אלקטרו-חמצני, SAXS יכול להבחין בין הפרעות הורה והפרעה מודרנית אפילו לאחר מכן, כדי לדלקתיים למחצה, כגון XStraamaryxythicial, כדי להשיג ⁇ .

ההרחבה הרחבה של A-Angle X-ray Diffraction (WAXD)

WAXD, הנקרא גם פיזור רנטגן רחב (WAXS), גישה למחזוריות ברמת אטומי (0.1-1 nm) הוא מספק מידע על פרמטרים תא של יחידת גבישים, אינדקס גבישי, גודל קריסטל, וכיוון מועדף (טקסטורה) בשילוב עם SAXS, WAXD מציע תצוגה רב-scale: בעוד SAXS אומר לך כיצד lame מסודרים, WAXD אומר לך על ידי מעבדי תיבות של פודוקסיד של מעבדים, כגון מעבדי פולימרים של מעבדים של מעבדים של מעבדים של מעבדים של מעבדים של מעבדים.

X-ray Microscopy ו- Tomography

עבור הדמיה ישירה של מורפולוגיה פולימרית ברמת תת-מיקרומטר, מיקרוסקופית רנטגן מבוססת סינכרון מבוססת רנטגן הוא ללא מקבילים. שני מודולים עיקריים קיימים: שידור מלא רנטגן רנטגן (TXM) וסריקה של חומר בשלב X-ray בשלב microscopy (XRF) יכול להשיג החלטות מתחת 30m והוא מתאים במיוחד לדגימות סמיכות (עשרות של מיקרומטר) כי רמות X-Dackscopyscopyscopyscopyscopy (x).

X-ray Photon Correlation Spectroscopy (XPCS)

טכניקה מתקדמת יותר, XPCS מנצלת את ההקפה של קרינה סינכרון כדי למדוד דינמיקות במערכות מופרכות. על ידי ניתוח התנודות הזמניות של תבניות ספירלה, XPCS יכול לבדוק הרפיה איטית בהמיסים פולימרים, ג'לים ומשקפיים -פנומנה כי הם בלתי נגישים כדי לפזר בגלל סטיות או ניגוד נמוך.טכניקה זו יש אור על המקור של היחסים מיקרוסקופיים בין המאקרוקו.

היתרונות של קרינת Synchrotron למחקר פולימר

העליונות של מקורות סינכרונכרונגורון על פני כלי מעבדה נובעת ממספר תכונות ייחודיות:

  • (FLT:0) , 000 גבוה של שטף ופלוקספלר:1 - מאפשר מדידה של דגימות פיזור חלש (למשל, סרטים דקים, פולימרים דלים) ומחקרים מהירים בזמן.
  • (FLT:0) אנרגיה בלתי ניתנת להשגה (FLT:1) מאפשר פיזור עצום של קצוות ספיגה קרוב כדי לשפר את הניגוד בין מינים דומים מבחינה כימית או לבצע ניתוח של X-ray ספיגה בסדר גודל (XAFS) של אתרים קטליטיים בחומרים פונקציונליים פולימרים.
  • (FLT:0) קוהרנטיות הפטפטפטית 1 (FLT:1) חיוני עבור הדמיה בשלב-contrast ו- XPCS, תכונות גילוי שאחרת יהיו בלתי נראות.
  • (FLT:0) הסתברות לא הרסנית של ההרחבה 1 (מכיוון שצילומי רנטגן הם אנרגיה גבוהה ושטף המשמש הוא מתחת לסף נזק עבור רוב הפולימרים, דגימות ניתן לבדוק במצבם הילידים או במהלך תנאי שירות (עומס, טמפרטורה, לחות).
  • (FLT:0) בשב ואופרהנדו יכולות: 1 (FLT:1) – סביבות הדגימה ייעודיות (שלבים עתיריים, תנורים, רמטרים, תאים מיקרו-השפעהיים) מאפשרות לאבולוציה מבנית להיות מתואמת עם גירויים חיצוניים, הישג נדיר ככל האפשר עם מיקרוסקופית אלקטרונים או מיקרוסקופית כוח אטומי.

לדוגמה, חוקר חוקר חוקר חוקר את התגבשות של פוליאתילן בלחץ גבוה יכול לפקח הן על היווצרות של השלבים האורתורוממבים וההקסגוניים בו זמנית באמצעות WAXD, בעוד SAXS לוכד את הסמיך הלהב - כל זאת בתוך ניסוי סינכרון יחיד שנמשך דקות.

מחקר: Semicrystalline Polymer Deformation

כדי להמחיש את הכוח של טכניקות הסינכרון, לשקול את הבעיה הקלאסית של איך פולימרים בשלב חצי-קריסטליים מתפרעים תחת עומס רב-ילי.מודלים מוקדמים הציעו כי קשקשים פשוט מוארכים, אבל מחקרים סינכרון הראו שלב הרבה יותר מאבני גבישיים של אורטרן (כמו למשל) בניסוי טיפוסי, סרט פוליפרופילן מתוח בקצב מבוקר בעוד SAX ו- XD הם מתפזרים כל ערימה של ערימה של ריבועים, או קרינת לחץ דם קטנה יותר, החל מ-x.

השפעה על מדע ותעשייה חומריים

היישום של קרינת סינכרונכרן עבר מעבר לסקרנות אקדמית וכעת משפיע ישירות על עיצוב פולימרים תעשייתי.חברות באריזות, רכב, חלל, ומגזרים ביו-רפואיים שיתפו פעולה באופן שגרתי עם מתקני סינכרונארו כדי לייעל את החומרים שלהם.

  • (FLT:0) תערובת וסגסוגתsFIRLT:1 ; SAXS ו- X-ray microscopy לעזור לקבוע את גודל ההפצה והמורפולוגיה של שלבים מפוזרים בתערובת בלתי אפשרית, המאפשר ניסוחים עם התנגדות השפעה טובה יותר או תכונות מחסום.
  • (FLT:0)NanocompositesFLT:1 - הבנת הפיזור של ננופלרים (clay, גרפן, cellulose ננוקריסטלs) הוא קריטי להשגת חיזוק מכני או מוליכות חשמלית. Synchrotron SAXS ו- WAXD יכול לזהות exfoliation וכיוון של חלקיקים אפילו בטענות נמוכות מאוד.
  • (FLT:0) פולימרים פולימרים בר-מסלולים 1 (FLT: ⁇ ) ומבנה הלימלר משפיעים מאוד על שיעור ההשפלה של חומצה פולילאקטית (PLA) ופוליומידקלקאנוטס (PHAs). זמן-resolved Synhrotron במהלך הידרוליזה לספק תובנות מכניסטיות לתכנון מפלסטיקים משותפים עם תקופות חיים מבוקרות.
  • (FLT:0) סיבים וסרטים FLT:1 - ייצור של פוליאתילן במשקל גבוה-נמוקולי (UHMWPE) סיבים דורש שליטה מדויקת על תהליך הציור כדי להשיג גמישות גבוהה ושרשרת היערכות. Synchrotron WAXD משמש על קו הייצור כדי לפקח על אוריינטציה בזמן אמת.
  • (FLT:0MedicalplantsFLT:1) - פיגומים פולימרניים עבור הנדסת רקמות חייב לשלוט על porosity ונכסים מכניים. Synchrotron tomographic microscopy מספק 3D מפות בגודל pore, קישוריות ועובי קיר, ייצור פיגומים.

דוגמה בולטת מגיעה מהפיתוח של ליתיום-יון סוללות פיזור, אשר בדרך כלל עשויים פוליאתילן או פוליפרופילין מיקרו ⁇ membranes. Synchrotron מבוסס אופרותנדו X-ray microscopy גילה כיצד אלה מפרידים מתפרעים ומתמס בתנאים תרמיים, המוביל לתכנוןי סלפור בטוחים יותר.

כיוונים עתידיים: מקורות סינכרון ו- XFEL

השדה ממשיך להתפתח במהירות.דור רביעי מקורות סינכרונטארון, כגון המקור Brilliant Brilliant (EBS) ב ESRF ואת שדרוג APS, תכונה רב-bend achromat לקטים אשר להגדיל את הגמישות על ידי גורם אחר של 100.זה יאפשר פתרון זמן מהיר יותר ומקומות מוקד קטן יותר, דוחף את ההחלטה המרחבית מתחת 10 nm בדמיה מלאה.

X-ray Free-Electron לייזרs (XFELs), כגון מקור האור של לינאק קוהרנטי (LCLS) ו- XFEL האירופי, לייצר דופקים של שניות עם שפע של שיא שאין כמותו. בעוד היישום שלהם לפולימרים עדיין מתפתח, הם מציעים את האפשרות של לכידת מצבים טרנספורמטיביים במהלך התגבש או שלב לפני נזק קרינה מתרחשת, לדוגמה, באמצעות XF, ייתכן שחוקרים בשלב מוקדם של ננו-אוט.

גבול נוסף הוא השילוב של נתוני סינכרונגזרון עם למידת מכונה.המאגרי נתונים העצומים המיוצרים על ידי גלאי 2D מודרניים (gigabytes לכל ניסוי) ניתחו יותר ויותר באמצעות רשתות עצביות מהפכתיות כדי לחלץ באופן אוטומטי פרמטרים כגון זן, אוריינטציה וגודל דומיין. גישה זו מאיצה את צינור הפחתת הנתונים ומאפשרת הקרנה גבוהה של ספריות פולימרים עבור חומרים.

שילוב של טכניקות Synchrotron עם שינויים אחרים

התובנות החזקות ביותר מגיעות לעתים קרובות משלבות סינכרונכרן X-rays עם שיטות אחרות של אפיון. coupling SAXS/WAXD עם Raman spectroscopy או Fourier-transform אינפרא אדום (FTIR) microscopy מספק מידע כימי ומבני בו זמנית.Squarexscale פיזור (SA) ו- SAXS, עכשיו אפשרי בחלק ממתקנים, שימוש ב-SXboxs.

שיקולים מעשיים עבור חוקרים

(לקבוצות חדשות לקרינת סינכרן, החסמים להזנת הורדו באופן משמעותי.מרבית מתקני הסינכרון מספקים beamtime גישה פתוחה באמצעות מערכות הצעה מצופות עמיתים, והתמיכה של המשתמשים כוללת הכשרה בניתוח נתונים.הכנה לפולימרומרי SAXS/WAXD היא פשוטה: סרטים, סיבים, או אבקות מוטבעות על דגימות סטנדרטיות.

החוקרים צריכים גם להיות מודעים לנזקי קרינה, אשר יכול להתבטא כצינור שרשרת, crosslinking, או השפלה כימית בפולימרים. at Synrotron fluxes, הנזק יכול לצבור במהירות, במיוחד במשטרי רנטגן רכים.אסטרטגיות כדי להפחית את הנזק כוללים הורדת עוצמת הדבורה, באמצעות גלאיים מהירים יותר כדי להפחית את הזמן, ולבעוט את הדגימה.

מסקנה

קרינה סינכרון הפכה את החקירה של מיקרו-מבנה פולימרי, מתן רזולוציה בקנה מידה, קינטיקה בזמן אמת, ודימות 3D לא הרסני כי הם פשוט בלתי ניתן להשגה עם ציוד מעבדה. מן הימים הראשונים של ניסויים SAXS סטטיים עד היום של אופרהנדו חומרים רב-ממדיים, השדה כבר התבגר ככלי חיוני עבור פיזיקה פולימרים בסיסיים וחומרים תעשייתיים.

מקור:0 (ב)

  • (FLT:0) European Synchrotron קרינה Facility (ESRF)FLT) 1:1 - מידע נרחב על beamlines עבור חומר רך ופולימרים.
  • (FLT:0) Advanced Photon Source (APS)BuildFLT:1) - מדע רנטגן למחקר חומרים, כולל beamlines ממוקד פולימר.
  • (ב) ,0SPring-8igFLT:1 - מתקן הסינכרון של יפן, עם יכולות SAXS/WAXD ברמה עולמית.
  • מאמר זה: "קרינת סנכרון במדעי פולימרים: סקירה" (2020)ראה FLT:1 - סקירה אקדמית מקיפה של טכניקות ויישומים.