Investigation of polymer nanostructures in multiconstituent hybrid systems

Abstract

The fabrication of nanostructures and the investigation of their properties constitute a research area that has attracted the interest of the scientific community, because such nanohybrids are candidates for a number of novel applications. The study and understanding of the behavior of these new materials is very important in that it allows the optimization of their properties. In order to be able to understand and consequently control those characteristics, several material combinations are tested and multiconstituent systems are fabricated. As an example, soft materials with desirable mechanical properties, such as polymers, are appropriately mixed with inorganic moieties. Such mixtures may exhibit good electronic, optical or magnetic properties and generally the components are selected in such a way, that the hybrid materials have the desirable properties that are a unique combination of the properties of the parent materials. In this research, three types of nanohybrid materials are investigated with small-angle X-ray scattering with respect to their structural properties: A) Block copolymers blended with a selective homopolymer at a low concentration; micelles with radii of approximately 10 nm are formed within the polymeric matrix and their characteristics are controlled by the copolymer macromolecular architecture and composition, the copolymer concentration and processing temperature, as well as by the homopolymer characteristics. B) Metal nanoparticles incorporated within pH-responsive polymeric matrices; suitably chosen micelles and microgels, with radii of 15 nm and 110 nm, respectively, are used as nanoreactors for the synthesis of Pt nanoparticles and the nanohybrids are characterized during all the synthetic steps and for various synthetic routes. C) Polymer - layered silicates nanocomposites; inorganic clay platelets are mixed with a semi-crystalline polymer, which intercalates within the galleries, and the effect of the clay presence on the crystallization kinetics and final properties are investigated. Through the study of these multiconstituent systems, the ability of polymers to form or participate in the formation of a plethora of nanostructures is ii demonstrated. Each one of the resulting nanohybrids is an attractive system for high-impact technological applications due to the ability to control and tailor the structure and sizes of the final products.

Η δημιουργία νανοδομών έχει προσελκύσει το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας, μιάς και τέτοια νανοϋβριδικά υλικά είναι υποψήφια για χρήση σε πολλές καινοτόμες εφαρμογές. Η μελέτη και κατανόηση της συμπεριφοράς των νεών αυτών υλικών είναι πολύ σημαντική, αφού επιτρέπει τη βελτιστοποίηση των ιδιοτήτων τους. Πολλά υλικά συνδυάζονται και συστήματα πολλαπλών συστατικών δημιουργούνται με απώτερο σκοπό την κατανόηση και τον έλεγχο των χαρακτηριστικών τους. Για παράδειγμα, χαλαρά υλικά με συγκεκριμένες μηχανικές ιδιότητες, όπως είναι τα πολυμερή, αναμειγνύονται με κατάλληλα ανόργανα στοιχεία και τα μείγματά τους παρουσιάζουν καλές ηλεκτρονικές, οπτικές, μαγνητικές, κ.α. ιδιότητες. Σε κάθε περίπτωση τα επιμέρους συστατικά επιλέγονται έτσι ώστε τα παραγόμενα υβρίδια να συγκεντρώνουν τις επιθυμητές ιδιότητες, οι οποίες είναι συνήθως συνδυασμός των ιδιοτήτων των αρχικών υλικών. Στα πλαίσια της διατριβής αυτής, οι δομικές ιδιότητες τριών ειδών νανοϋβριδικών υλικών εξετάστηκαν με την τεχνική της σκέδασης ακτίνων Χ σε μικρές γωνίες: Α) Συσταδικά συμπολυμερή αναμείχθηκαν με ομοπολυμερές που είναι εκλεκτικός διαλύτης για τη μια συστάδα σε χαμηλές συγκεντρώσεις και μικκύλια με ακτίνα περίπου 10 nm σχηματίστηκαν μέσα στην πολυμερική μήτρα. Μελετήθηκαν τα χαρακτηριστικά τους σαν συνάρτηση της μακρομοριακής αρχιτεκτονικής και της σύστασης του συμπολυμερούς, της συγκέντωσης του συμπολυμερούς και της θερμοκρασίας, καθώς επίσης των χαρακτηριστικών της μήτρας. Β) Μεταλλικά νανοσωματίδια ενσωματώθηκαν σε πολυμερικές μήτρες ευαίσθητες στο pH του διαλύματος. Κατάλληλα επιλεγμένα μικκύλια και μικροπηκτώματα (microgels), με ακτίνες 15 nm και 110 nm αντίστοιχα, χρησιμοποιήθηκαν ως νανο-αντιδραστήρες για τη σύνθεση νανοσωματιδίων πλατίνας και τα νανοϋβρίδια χαρακτηρίστηκαν σε κάθε στάδιο της σύνθεσης, ενώ παράλληλα διάφορες συνθετικές μέθοδοι ακολουθήθηκαν. Γ) Τέλος παρασκευάστηκαν νανοσύνθετα υλικά πολυμερούς - φυλλόμορφων πυριτιδίων. Ο ανόργανος πηλός αναμείχθηκε με ημικρυσταλλικό πολυμερές που παρεμβάλλεται στις γαλλαρίες του φυλλόμορφου πηλού και iv μελετήθηκε η επίδραση της παρουσίας του πηλού στην κινητική της κρυστάλλωσης και τις τελικές ιδιότητες των νανοσύνθετων υλικών. Η μέλετη των παραπάνω συστημάτων πολλαπλών συστατικών ανέδειξε την ικανότητα των πολυμερών να σχηματίζουν ή να συμμετέχουν στη δημιουργία πολλών νανοδομών. Καθένα από τα παραγόμενα νανοϋβρίδια είναι ένα ελκυστικό σύστημα για τεχνολογικές εφαρμογές υψηλού ενδιαφέροντος, χάρη στην ικανότητα ελέγχου και τροποποίησης της δομής των τελικών προϊόντων.