Chế độ điều biến nhiệt trong phân tích nhiệt quét vi sai

Một nhóm nghiên cứu của Đại học Princeton (Hoa Kỳ) sử dụng MDSC trên thiết bị Q2000 của TA Instruments đã thành công trong việc công bố kết quả nghiên cứu trên tạp chí Nature Materials tháng 4 năm 2012.

Nghiên cứu với tiêu đề là “Nhựa thủy tinh siêu bền từ polymer cấu trúc nano”, tìm ra phương pháp chế tạo một loại vật liệu film polymer nhẹ hơn thủy tinh acrylic thông thường (thành phần chính là poly(methyl methacrylate), PMMA) nhưng lại có độ bền tốt hơn. Ý tưởng của phương pháp độc đáo này bao gồm việc dùng xung nhịp laser để hóa hơi từ từ dung dịch PMMA đông lạnh, phương pháp này được gọi tắt là MAPLE (matrix-assisted pulsed laser evaporation). Các phân tử PMMA sau khi bị hóa hơi sẽ được phủ lên bề mặt của một vật liệu nền để tạo thành các tấm film. Điều đặc biệt của các tầm film này là các phân tử PMMA hình thành nên một cấu trúc nano hình cầu bền vững có khối lượng riêng thấp hơn bình thường nhưng lại có độ bền động nhiệt học cao hơn. Cụ thể là loại film polymer này nhẹ hơn thủy tinh acrylic 40%, giá trị nhiệt độ Tg cao hơn khoảng 40oC và tốc độ hóa lỏng (glass to liquid transformation rate) chậm hơn hàng trăm lần. Trong tương lai, phương pháp này còn có thể áp dụng cho các loại polymer có thành phần khác ngoài PMMA. Loại nhựa thủy tinh này có thể tìm ứng dụng trong công nghệ nano và y sinh học, những ngành mà trọng lượng và độ bền của polymer là những đặc tính vô cùng quan trọng.

Thiệt bị phân tích nhiệt quét vi sai Q2000 của TA instruments đã đóng góp một phần không nhỏ vào kết quả nghiên cứu này. Với tính năng DSC cơ bản, Q2000 cho phép xác định giá trị Tg của vật liệu. Qua đó, các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng, PMMA được xử lý bằng phương pháp MAPLE có giá trị Tg cao hơn PMMA thông thường (Hình 1). Ngoài ra, với khả năng  phân tích nhiệt quét vi sai điều biến nhiệt (MDSC), Q2000 còn cho thông tin về giá trị nhiệt dung (Cp) và nhiệt dung nghịch (Cp,rev), giúp cho các nhà nghiên cứu tìm ra tác dụng của nhiệt độ bề mặt vật liệu nền lên độ bền của PMMA (Hình 2), từ đó tối ưu hóa quy trình sản xuất polymer PMMA bằng phương pháp MAPLE.

 Hình 1. Tác động của phương pháp xử lý lên giá trị nhiệt độ Tg của PMMA. (a) Nhiệt dung của PMMA: PMMA được hóa hơi bằng laser MAPLE trong lần gia nhiệt đầu tiên (đường màu xanh lá cây) và lần gia nhiệt thứ hai (đường màu xanh nước biển), PMMA làm lạnh siêu nhanh (hyperquenched, đường màu đỏ), và PMMA tiêu chuẩn thông thường (đường màu đen). (b) Tốc độ biến thiện của nhiệt dung theo nhiệt độ ở hình (a). (c) Đường entanpi của các mẫu PMMA. (Hình ảnh được sao chép và lược dịch  theo Guo, Y. et al, 2012)

Q2000 là thiết bị phân tích nhiệt quét vi sai dành cho nghiên cứu với sự ưu việt về độ nhạy, độ phân giải và độ chính xác của kết quả. Q2000 được trang bị với công nghệ được đăng ký bản quyền Tzero cùng với tính năng điều biến nhiệt MDSC cùng phép đo nhiệt dung Cp trực tiếp và khả năng nạp mẫu tự động lên đến 50 mẫu là một công cụ mạnh, linh hoạt và tiện lợi cho người sử dụng. Chính vì vậy Q2000 của TA Instruments có thể làm thỏa mãn được những nhà khoa học hàng đầu trên thế giới.

Hình 2. Độ bền của PMMA được xử lý bằng MAPLE phụ thuộc vào nhiệt độ của bề mặt vật liệu nền. (a) Nhiệt dung và (b) Entanpi của PMMA tiêu chuẩn thông thường và PMMA được xử lý bằng MAPLE với nhiệt độ bề mặt vật liệu nền từ 300K đến 329K. (c) Đồ thị nhiệt độ quy định TF (fictive temperature) theo Tsub/Tg. (d) Nhiệt dung nghịch (reversing heat capacity) của các mẫu PMMA:  tiêu chuẩn (đường màu đen), làm lạnh siêu nhanh (đường màu đỏ), được xử lý bằng MAPLE với Tsub=311K (đường màu xanh lá cây). (Hình ảnh được sao chép và lược dịch  theo Guo, Y. et al, 2012)

Bài việt dựa trên bài báo gốc của tạp chí Nature Mateials:

Guo, Y., Morozov, A., Schneider, D. et al. Ultrastable nanostructured polymer glasses. Nature Mater 11, 337–343 (2012)

https://doi.org/10.1038/nmat3234

 

Vũ Sỹ

Tin khác