СКИФ получит установку МГУ для контроля тепла и наноструктуры полимеров

Ученые химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова совместно с коллегами из Бельгии, Китая и Франции разработали компактную установку для одновременного изучения термических свойств и наноструктуры полимеров. Устройство может применяться на российских синхротронах, включая Сибирский кольцевой источник фотонов (СКИФ). Это позволит изучать полимеры в условиях, близких к технологическим, и научно обосновать выбор режимов их переработки, сообщили в пресс-службе МГУ. 

При литье под давлением, экструзии и других способах переработки полимеров материал быстро нагревается и охлаждается. В этих условиях молекулярные цепи формируют и перестраивают кристаллические области, определяющие внутреннее строение готового изделия. Чтобы установить связь между температурным режимом и формирующейся структурой, нужно одновременно измерять тепловые эффекты и наблюдать за изменениями материала на нанометровом уровне.

«Разработанная нами установка позволит использовать возможности российских синхротронов, включая СКИФ, для решения фундаментальных и прикладных задач науки о материалах. При исследовании полимеров такой инструмент необходим, поскольку их структура может существенно изменяться за тысячные доли секунды. Одновременная регистрация тепловых эффектов и структурных изменений поможет раскрыть механизмы кристаллизации и плавления, установить связь между условиями переработки и строением материала. Это даст научную основу для создания полимерных материалов с заданными свойствами и выбора оптимальных режимов их переработки», — отметил завлабораторией на факультете фундаментальной физико-химической инженерии МГУ, соавтор исследования Дмитрий Иванов.

В новой установке объединили сверхбыструю калориметрию на чипе с малоугловым рассеянием синхротронного рентгена. Калориметр фиксирует тепло, рассеяние — параметры наноструктуры. Сенсор разгоняет нагрев и охлаждение до тысяч градусов в секунду, а синхронная запись показывает, какие структурные изменения сопровождают тепловые переходы. Преимущество разработки — модульность. Калориметр, микроскоп и система позиционирования собраны в компактный блок, который переносится между станциями малоуглового рассеяния без переделки оборудования. Это открывает путь установке на СКИФе и других российских синхротронах.

Работоспособность проверили на станции ID02 ESRF в Гренобле: для образцов массой около 100 нанограммов данные для количественного анализа наноструктуры получали за миллисекунды. На модельном полиэтилене (алкан C₃₉₀H₇₈₂) меняли скорость охлаждения и получали ламеллы толщиной от 9 до 19 нанометров. При нагреве со скоростью 1000 градусов в секунду толщина пластинок заметно росла у начала плавления всего за 15 миллисекунд — значит, даже при сверхбыстром нагреве структура успевает измениться, и это нужно учитывать.

В работе участвовали исследователи МГУ, Левенского католического университета, Сианьского университета Цзяотун, Шеффилдского университета и Института материаловедения в Мюлузе (CNRS, Франция). Результаты исследования, поддержанного Российским научным фондом, опубликованы в Journal of Synchrotron Radiation.

Как писал ранее «Монокль», СКИФ — один из самых ориентированных на прикладную сферу ускорителей в мире, обладающий беспрецедентной точностью. Его ключевой параметр — эмиттанс (характеризует яркость и сфокусированность пучка) — составляет всего 72 пикометра на радиан, что дает рекордную детализацию, недоступную другим приборам в этом классе энергии (3 ГэВ). Устройство «просвечивает» материалы, вплоть до того что видно движение атомов в кристаллической решетке и проникновение вируса в клетку в реальном времени. Как пояснил исполняющий обязанности директора Института ядерной физики Сибирского отделения (СО) РАН Павел Логачев, оно позволит в 10–50 раз сократить время на разработку и создание новых материалов в промышленности, технике, медицине, биологии и во многих других сферах. Это первый в России источник синхротронного излучения поколения 4+ с энергией 3 ГэВ.