Ученые НИТУ МИСИС создали первую в России экспериментальную установку для наблюдения за структурными изменениями веществ в режиме реального времени. Комплексу приборов требуются нанограммы вещества для мгновенного анализа, при этом данные получаются точными. Новый метод открывает перспективы в разработке полимерных материалов для фармацевтики, строительства, бытовых изделий, медицины, сельского хозяйства, пищевой отрасли и др.
Ученые обычно изучают фазовые переходы полимеров при помощи традиционных методов термического анализа, например метода дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК). Но результаты анализа не всегда точны из-за сложных химических процессов, протекающих в полимерных структурах. Для более точной интерпретации данных необходимо использовать структурно-чувствительные методы — быструю сканирующую чип-калориметрию, или нанокалориметрию.
Исследователи Университета МИСИС разработали специализированную установку, сочетающую нанокалориметрию с поляризационной микроскопией в реальном времени. Уникальность установки заключается в том, что она позволяет проводить комплексные исследования за считаные миллисекунды. Такая скорость анализа открывает новые возможности для изучения процессов, происходящих в материале при мгновенном изменении температуры.
«Установка охватывает больший диапазон скоростей изменения температуры при изучении состояния веществ, а также дает возможность совмещать методы теплофизики с более подробным изучением структуры образцов. Этот подход намного точнее традиционных методов физико-химического анализа. Он дополняет классический термический анализ, а в некоторых случаях полностью заменяет сложный рентгеноструктурный анализ, предотвращая повреждения материала рентгеновским лучом», — сказал к.ф.-м.н. Дмитрий Иванов, заведующий лабораторией «Структурные и термические методы исследования материалов» НИТУ МИСИС.
Разработка позволяет детально анализировать структурную эволюцию при скоростях нагрева до нескольких тысяч градусов в секунду. Изучив явления плавления и рекристаллизации, ученые предложили более подробную диаграмму, которая учитывает сложные области кристаллической структуры полимера. Подробности исследования описаны в научном журнале Thermochimica Acta (Q2).
«Полученные данные помогают быстрее построить диаграммы при планировании дальнейших термоаналитических экспериментов. Устройство помогает получить более точную информацию, что открывает новые возможности во многих сферах, требующих наблюдения за изменениями структуры материалов. Например, скрининг фармакологической активности веществ или создание новых функциональных полимеров», — сказал к.ф.-м.н. Алексей Мельников, ведущий инженер научного проекта в лаборатории структурных и термических методов исследования НИТУ МИСИС.
Важной особенностью установки является ее модульная конструкция. Это позволяет интегрировать ее с различными научными приборами, такими как рентгеновские аппараты, электронные и оптические микроскопы. Такая интеграция расширяет спектр возможностей прибора и позволяет проводить более глубокие исследования структуры и свойств материалов. Разработка найдет широкое применение в различных отраслях науки и промышленности. Прежде всего, она будет полезна ученым, занимающимся материаловедением. С помощью установки можно воспроизводить условия производства на микроуровне, что позволит оптимизировать синтез новых материалов и улучшить их свойства.
Исследование проведено при поддержке гранта в рамках программы Минобрнауки России «Приоритет-2030» (проект К1-2022-035).