Polimerlerin Saçılması ve Mikroskopisi
Işık, X-ışınları ve nötronların saçılması, zincir boyutlarını, kristalliği ve nanoyapıyı incelerken; mikroskopi, polimer morfolojisini doğrudan görüntüleyerek, tek bir zincirden kütleye kadar olan yapıyı birlikte çözümlemektedir.
Tanım
Polimerlerin saçılması ve mikroskopisi, zincir boyutlarını, kristal düzenin derecesini ve geometrisini, polimer katıların ve karışımların morfolojisini belirlemek için radyasyonun (ışık, X-ışınları, nötronlar) sapmasını veya doğrudan görüntülemeyi kullanan karakterizasyon yöntemleridir.
Kapsam
Bu konu, molar kütle, dönme yarıçapı ve difüzyon için statik ve dinamik ışık saçılımını; kristalliği ve lamel aralığını belirlemek için küçük ve geniş açılı X-ışını saçılımını; eriyikteki tek zincir boyutları için döteryum işaretlemeli küçük açılı nötron saçılımını; ve sferülitler, faz morfolojisi ve blok-kopolimer nanoyapıları için optik ve elektron mikroskopisini kapsamaktadır.
Temel sorular
- Statik ışık saçılımı mutlak molar kütleyi ve dönme yarıçapını nasıl vermektedir?
- Küçük ve geniş açılı X-ışını saçılımı kristal düzen hakkında neyi ortaya koymaktadır?
- Döteryum işaretlemeli nötron saçılımı, kütledeki tek zincir boyutlarını ölçmek için neden benzersiz bir şekilde yeteneklidir?
- Mikroskopi sferülitleri, fazları ve nanoyapıları nasıl görselleştirmektedir?
Temel kuramlar
- Statik ışık saçılımı (Zimm analizi)
- Zimm yöntemiyle analiz edilen saçılan yoğunluğun açısal ve konsantrasyon bağımlılığı, kalibrasyon gerektirmeden ağırlık ortalama molar kütleyi, dönme yarıçapını ve ikinci viriyal katsayısını vermektedir.
- Nötron saçılımında kontrast değişimi
- Döteryum ve hidrojen nötronları çok farklı şekilde saçtığı için, hidrojenli bir matris içindeki döteryum işaretli zincirlerin küçük bir kısmı izole edilmiş olarak görülebilmekte, bu da tek bir zincirin boyutlarının kütle amorf durumda ölçülmesine ve Gauss zincir istatistiklerinin doğrulanmasına olanak tanımaktadır.
Mekanizmalar
Statik ışık saçılımı, mutlak molar kütle ve zincir boyutunu elde etmek için yoğunluğu açıya ve konsantrasyona karşı ölçerken; dinamik ışık saçılımı, difüzyon katsayılarını ve hidrodinamik yarıçapları vermek üzere yoğunluk dalgalanmalarını ölçmektedir. Geniş açılardaki X-ışını saçılımı, kristal birim hücrelerini ve kristalliğin derecesini çözerken; küçük açılarda lamel aralıklarını ve nanofaz periyodikliklerini çözümlemektedir. Nötron saçılımı, tek işaretli zincirleri izole etmek için hidrojen-döteryum kontrastından faydalanmakta, eriyikteki zincirlerin rastgele sarmal boyutlarını benimsediğini doğrulamaktadır. Çapraz polarizörler altındaki optik mikroskopi sferülitleri ortaya çıkarırken, elektron mikroskopisi faz morfolojisini ve kendi kendine birleşen nanoyapıları görüntülemektedir.
Klinik önem
Bu yöntemler, özelliklerin arkasındaki yapısal gerçekleri sunmaktadır: mutlak molar kütle ve zincir boyutları diğer teknikleri doğrulamaktadır; kristallik ve lamel aralığı sertliği ve bariyer davranışını açıklamaktadır; ve morfoloji görüntülemesi, sertleştirilmiş karışımların, nefes alabilen filmlerin ve membranlar ile litografi için nanoyapılı blok-kopolimer malzemelerin tasarımına rehberlik etmektedir.
Tarihçe
Makromoleküller için ışık saçılım teorisi, 1940'larda Debye ve Zimm tarafından geliştirilerek mutlak molar kütleler sağlamıştır; 1970'lerden itibaren döteryum işaretlemeli küçük açılı nötron saçılımı, de Gennes'in ölçekleme fikirleriyle yorumlanarak eriyik zincirlerinin rastgele sarmallar olduğunu doğrulamış, X-ışını saçılımı ve elektron mikroskopisi ise kristal ve faz ayrışmış morfolojileri aydınlatmıştır.
Öne çıkan isimler
- Peter Debye
- Bruno Zimm
- Pierre-Gilles de Gennes
İlgili konular
Temel eserler
- hiemenz2007
- sperling2006
Sıkça sorulan sorular
- Işık saçılımı neden mutlak bir yöntem olarak adlandırılmaktadır?
- Ölçülen saçılımdan ve bilinen optik sabitlerden doğrudan ağırlık ortalama molar kütleyi ve dönme yarıçapını vermekte, referans standartlara karşı kalibrasyon gerektirmemekte ve bu da onu göreceli teknikler için bir kıyaslama noktası haline getirmektedir.
- Katı bir polimerin içinde tek bir zincir nasıl ölçülebilir?
- Nötronlar, hidrojen ve döteryumdan çok farklı şekilde saçılmaktadır. Birkaç döteryum işaretli zinciri sıradan bir hidrojen içeren matrise karıştırarak, bu işaretli zincirler belirgin hale gelmekte, böylece boyutları yoğun kütlede bile ölçülebilmektedir.