การกระเจิงและการใช้กล้องจุลทรรศน์ศึกษาพอลิเมอร์

การกระเจิงของแสง รังสีเอกซ์ และนิวตรอน ใช้ในการตรวจสอบขนาดของสายโซ่พอลิเมอร์ สภาพความเป็นผลึก และโครงสร้างระดับนาโน ในขณะที่กล้องจุลทรรศน์ใช้ในการถ่ายภาพสัณฐานวิทยาของพอลิเมอร์โดยตรง ซึ่งทั้งหมดนี้ช่วยในการวิเคราะห์โครงสร้างตั้งแต่ระดับสายโซ่เดี่ยวไปจนถึงระดับมวลรวม

Definition

การกระเจิงและการใช้กล้องจุลทรรศน์ศึกษาพอลิเมอร์เป็นวิธีการจำแนกลักษณะเฉพาะที่ใช้การเบี่ยงเบนของรังสี (แสง, รังสีเอกซ์, นิวตรอน) หรือการถ่ายภาพโดยตรงเพื่อกำหนดขนาดของสายโซ่ ระดับและเรขาคณิตของความเป็นระเบียบแบบผลึก และสัณฐานวิทยาของพอลิเมอร์แข็งและสารผสม

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงการกระเจิงแสงแบบสถิตและแบบพลวัตเพื่อหามวลโมลาร์ รัศมีไจเรชัน และการแพร่; การกระเจิงรังสีเอกซ์มุมเล็กและมุมกว้างเพื่อหาสภาพความเป็นผลึกและระยะห่างของชั้นผลึก; การกระเจิงนิวตรอนมุมเล็กพร้อมการติดฉลากด้วยดิวเทอเรียมเพื่อหาขนาดของสายโซ่เดี่ยวในสถานะหลอมเหลว; และกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงและแบบอิเล็กตรอนเพื่อศึกษาสเฟียรูไลต์ สัณฐานวิทยาของเฟส และโครงสร้างนาโนของโคพอลิเมอร์แบบบล็อก

Core questions

• การกระเจิงแสงแบบสถิตให้มวลโมลาร์สัมบูรณ์และรัศมีไจเรชันได้อย่างไร?
• การกระเจิงรังสีเอกซ์มุมเล็กและมุมกว้างเผยให้เห็นอะไรเกี่ยวกับความเป็นระเบียบแบบผลึก?
• เหตุใดการกระเจิงนิวตรอนพร้อมการติดฉลากด้วยดิวเทอเรียมจึงสามารถวัดขนาดของสายโซ่เดี่ยวในมวลรวมได้อย่างเป็นเอกลักษณ์?
• กล้องจุลทรรศน์แสดงภาพสเฟียรูไลต์ เฟส และโครงสร้างนาโนได้อย่างไร?

Key theories

การกระเจิงแสงแบบสถิต (การวิเคราะห์ของ Zimm)

การพึ่งพามุมและความเข้มข้นของความเข้มแสงที่กระเจิง ซึ่งวิเคราะห์ด้วยวิธีของ Zimm ให้ค่ามวลโมลาร์เฉลี่ยถ่วงน้ำหนัก รัศมีไจเรชัน และสัมประสิทธิ์ไวเรียลที่สองโดยไม่ต้องมีการสอบเทียบ

การแปรผันของคอนทราสต์ในการกระเจิงนิวตรอน

เนื่องจากดิวเทอเรียมและไฮโดรเจนกระเจิงนิวตรอนแตกต่างกันมาก สายโซ่ที่ติดฉลากด้วยดิวเทอเรียมเพียงเล็กน้อยในเมทริกซ์ที่มีไฮโดรเจนสามารถมองเห็นได้แยกกัน ทำให้สามารถวัดขนาดของสายโซ่เดี่ยวในสถานะอสัณฐานแบบมวลรวมได้ และยืนยันสถิติของสายโซ่แบบเกาส์เซียน

Mechanisms

การกระเจิงแสงแบบสถิตวัดความเข้มเทียบกับมุมและความเข้มข้นเพื่อหามวลโมลาร์สัมบูรณ์และขนาดของสายโซ่ ในขณะที่การกระเจิงแสงแบบพลวัตวัดความผันผวนของความเข้มเพื่อให้ได้ค่าสัมประสิทธิ์การแพร่และรัศมีไฮโดรไดนามิก การกระเจิงรังสีเอกซ์ที่มุมกว้างสามารถแยกแยะหน่วยเซลล์ผลึกและระดับความเป็นผลึกได้ และที่มุมเล็กสามารถแยกแยะระยะห่างของชั้นผลึกและคาบของนาโนเฟสได้ การกระเจิงนิวตรอนใช้ประโยชน์จากความแตกต่างของคอนทราสต์ระหว่างไฮโดรเจน-ดิวเทอเรียมเพื่อแยกสายโซ่ที่ติดฉลากเดี่ยว ซึ่งยืนยันว่าสายโซ่ในสถานะหลอมเหลวมีขนาดแบบขดสุ่ม กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงภายใต้โพลาไรเซอร์แบบไขว้เผยให้เห็นสเฟียรูไลต์ และกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนถ่ายภาพสัณฐานวิทยาของเฟสและโครงสร้างนาโนที่ประกอบตัวเอง

Clinical relevance

วิธีการเหล่านี้ให้ข้อมูลโครงสร้างที่เป็นพื้นฐานของคุณสมบัติ: มวลโมลาร์สัมบูรณ์และขนาดของสายโซ่ยืนยันความถูกต้องของเทคนิคอื่น ๆ; สภาพความเป็นผลึกและระยะห่างของชั้นผลึกอธิบายความแข็งและความสามารถในการกั้น; และการถ่ายภาพสัณฐานวิทยาเป็นแนวทางในการออกแบบสารผสมที่ทนทาน ฟิล์มที่ระบายอากาศได้ และวัสดุโคพอลิเมอร์แบบบล็อกที่มีโครงสร้างนาโนสำหรับเมมเบรนและลิโทกราฟี

History

ทฤษฎีการกระเจิงแสงสำหรับโมเลกุลขนาดใหญ่ได้รับการพัฒนาโดย Debye และ Zimm ในทศวรรษ 1940 ซึ่งให้มวลโมลาร์สัมบูรณ์; ตั้งแต่ทศวรรษ 1970 การกระเจิงนิวตรอนมุมเล็กพร้อมการติดฉลากด้วยดิวเทอเรียม ซึ่งตีความด้วยแนวคิดการปรับขนาดของ de Gennes ยืนยันว่าสายโซ่หลอมเหลวเป็นขดสุ่ม ในขณะที่การกระเจิงรังสีเอกซ์และกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนช่วยอธิบายสัณฐานวิทยาของผลึกและเฟสที่แยกตัว

Key figures

• Peter Debye
• Bruno Zimm
• Pierre-Gilles de Gennes

Seminal works

• hiemenz2007
• sperling2006

Frequently asked questions

เหตุใดการกระเจิงแสงจึงถูกเรียกว่าเป็นวิธีการสัมบูรณ์?

เนื่องจากให้ค่ามวลโมลาร์เฉลี่ยถ่วงน้ำหนักและรัศมีไจเรชันโดยตรงจากการวัดการกระเจิงและค่าคงที่ทางแสงที่ทราบ โดยไม่ต้องมีการสอบเทียบกับมาตรฐานอ้างอิง ทำให้เป็นเกณฑ์มาตรฐานสำหรับเทคนิคเชิงเปรียบเทียบ

จะวัดสายโซ่เดี่ยวภายในพอลิเมอร์แข็งได้อย่างไร?

นิวตรอนกระเจิงแตกต่างกันมากจากไฮโดรเจนและดิวเทอเรียม โดยการผสมสายโซ่ที่ติดฉลากด้วยดิวเทอเรียมเพียงเล็กน้อยลงในเมทริกซ์ที่มีไฮโดรเจนทั่วไป สายโซ่ที่ติดฉลากเหล่านั้นจะโดดเด่น ทำให้สามารถวัดขนาดของพวกมันได้แม้ในมวลรวมที่หนาแน่น