Vaste stof heeft vloeibaar nano-oppervlaktelaagje

De buitenste paar nanometers van een blok massief polystyreen gedragen zich min of meer als een vloeistof, zo hebben Canadese onderzoekers experimenteel vastgesteld. Daarmee is een controverse opgelost die al 15 jaar woedde, zo melden ze in Science.

De ontdekking heeft mogelijk implicaties voor de verwerking en het gebruik van deze en aanverwante kunststoffen, en voor het ontwerp van goed hechtende coatings. Ook zul je er rekening mee moeten houden als je de kunststof op nanoschaal toepast, bijvoorbeeld in zeer dunne films.

Polystyreen is een amorfe (niet-kristallijne), thermoplastische kunststof. Beneden de zogeheten glasovergangstemperatuur (T_g , bij polystyreen 95 graden Celsius) is zo’n polymeer een vaste stof; daarboven is het min of meer vloeibaar. Het verschil zit in de bewegingsvrijheid van de ketenmoleculen: boven T_g drukken ze elkaar net ver genoeg uit elkaar om niet meer hopeloos onderling verstrikt te zitten.

Vermoed werd dat de ketenmoleculen, die aan of vlak onder het oppervlak liggen, ook beneden T_g voldoende ruimte hebben om vloeibaar gedrag te vertonen. De kunst was om dat experimenteel te bewijzen zonder het materiaalgedrag met je meetapparatuur te verstoren.

De onderzoekers van Waterloo University hebben dat nu heel simpel opgelost door een poystyreenflim te verwarmen tot iets boven de Tg, en er toen een aantal nanogoudbolletjes op te laten vallen. De bolletjes zakten een eindje weg in het plastic, maar zonken niet helemaal. Het geheel werd afgekoeld tot beneden Tg, zodat het plastic spanningsvrij stolde. Vervolgens werd er vloeibaar kwik over uitgegoten, dat het goud opnam in de vorm van een amalgaam. Na verwijdering van het kwik bleven lege nanoputjes over, waarvan de diepte kon worden gemeten met een AFM-microscoop.

Resultaat: ook ver beneden T_g lopen de putjes na korte tijd gewoon vol plastic. De snelheid waarmee dat gebeurt is maar beperkt afhankelijk van de temperatuur. Het oppervlak gedraagt zich dus heel anders dan de bulk van de kunststof.

bron: University of Waterloo