2014: Диффузия, управляемая морфологией

Сотрудники кафедры физики полимеров и кристаллов физического факультета МГУ (группа профессора И.И. Потёмкина – к.ф.м.н. А.А. Рудов и аспирант Р. А. Гумеров) совместно с учеными из Германии (DWI – Leibniz Institute for Interactive Materials, Aachen) впервые обнаружили, что скорость поглощения паров неселективных растворителей пленками на основе блок-сополимеров зависит как от морфологии нанодоменной структуры, так и от ориентации доменов в пленке.

Блок-сополимеры – макромолекулы, состоящие из цепей (блоков) различного химического строения, ковалентно сшитых друг с другом. В большинстве случаев блоки различной химической структуры несовместимы друг с другом и в полимерном материале образуются нанодомены, размер и форма которых определяются длинами блоков (см. рисунок). В литературе это явление принято называть микрофазным расслоением. Наноструктурированные пленки на основе блок-сополимеров находят широкое применение для создания высокопроизводительных органических солнечных батарей, сверхплотных ферромагнитных массивов для хранения информации, в мембранных технологиях и мн. др. Ключевыми полезными факторами здесь выступают симметрия расположения нанодоменов и огромная площадь междоменной поверхности. Наиболее быстрый способ приготовления полимерных пленок (spin-coating) не обеспечивает равновесного состояния нанодоменной структуры. Поэтому пленки необходимо «доводить» до равновесия, экспонируя их сначала в парах растворителей (что приводит к набуханию), а затем медленно высушивая. До сих пор считалось, что неселективные растворители (которые имеют одинаковое сродство к блокам различной химической природы) одинаково воздействуют на пленки независимо от их внутренней структуры. Настоящее исследование показало, что проникновение растворителя внутрь пленки происходит преимущественно вдоль межфазных (междоменных) границ (см. рисунок) и существенно влияет на зависимость скорости набухания пленок от их структуры. Время набухания пленок одинаковой толщины, но разной внутренней структуры может различаться в десятки раз. Полученные фундаментальные результаты можно использовать для создания датчиков на наличие химических веществ в атмосфере, суперконденсаторов нового поколения и мн. др.

Результаты данного исследования опубликованы в статье: Stenbock-Fermor A.; Rudov A.A.; Gumerov R.A.; Tsarkova L.A.; Böker A.; Möller M.; and Potemkin I.I., Morphology-Controlled Kinetics of Solvent Uptake by Block Copolymer Films in Nonselective Solvent Vapors. // ACS Macro Letters 3, 803-807 (2014).