Wiele procesów przemysłowych wymaga stosowania mieszanin. W Instytucie Chemii Fizycznej PAN zbadano, w jaki sposób zewnętrzne pole elektryczne wpływa na tempo separacji składników w mieszaninach złożonych z polimerów i ciekłych kryształów oraz z samych polimerów różnych typów. Zebrane obserwacje otwierają ciekawe możliwości między innymi przy tworzeniu nowych materiałów kompozytowych.
Niejednorodne mieszaniny polimerów z innymi polimerami lub ciekłymi kryształami są często używane w przemyśle – w wyświetlaczach ciekłokrystalicznych, przepływowych czujnikach gazów, pamięciach optycznych i innych urządzeniach.
Naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk (IChF PAN) w Warszawie przeanalizowali zachowanie mieszanin tego typu poddanych działaniu zewnętrznego, zmiennego pola elektrycznego. "Udało się nam precyzyjnie określić warunki sprzyjające nawet tysiąckrotnemu przyspieszeniu procesu separacji składników badanych mieszanin", mówi prof. dr hab. Robert Hołyst.
Składniki wielu mieszanin z czasem samoistnie się rozdzielają, przy czym tempo tego procesu jest zwykle bardzo wolne. Od dawna znany jest fakt, że separację można przyspieszyć, gdy niejednorodną ciecz umieści się w zewnętrznym, zmiennym polu elektrycznym o odpowiednio dobranej częstotliwości. Uważa się, że za przyspieszenie separacji składników są wówczas odpowiedzialne jony, będące naturalnym składnikiem tego typu mieszanin.
W Instytucie Chemii Fizycznej PAN badano mieszaniny polimeru z innym polimerem lub ciekłym kryształem. W obecności zmiennego pola elektrycznego o natężeniu kilku milionów woltów na metr jony w składniku charakteryzującym się wyższym przewodnictwem zaczynały swobodnie przemieszczać się ku elektrodzie o przeciwnym ładunku. Dochodziły jednak do granicy fazy, gdzie po drugiej stronie znajdował się materiał nieprzewodzący, w którym raptownie zwalniały. "W tych warunkach na granicy faz pojawia się dodatkowa siła. Gdy pole elektryczne zmienia się z odpowiednią częstotliwością, jony zaczynają szarpać granicą. To szarpanie sprzyja znacznie wydajniejszemu niż normalnie łączeniu się poszczególnych kropel danego składnika, a więc prowadzi do szybszej separacji obu faz", mówi doktorantka Natalia Ziębacz z IChF PAN.
Efektywność procesu separacji składników badanych mieszanin silnie zależała od częstotliwości przyłożonego pola elektrycznego. Przeprowadzone w IChF PAN pomiary optyczne wykazały, że w optymalnych warunkach, przy częstotliwościach do kiloherców, separacja zachodziła nawet tysiąc razy szybciej. Zbyt niskie lub zbyt wysokie częstotliwości pola elektrycznego nie wywoływały znaczących ruchów jonów i separacja zachodziła w normalnym, wolnym tempie. Mechanizm fizyczny zjawiska sugeruje, że podobnego efektu można się spodziewać we wszystkich mieszaninach zanieczyszczonych jonami i zawierających składniki różniące się przewodnictwem elektrycznym.
Kontrolowanie tempa procesu separacji w tak dużym przedziale czasowym, obejmującym aż trzy rzędy wielkości, otwiera drogę do interesujących zastosowań. Samą reakcję separacji można przeprowadzać bardzo szybko, po czym praktycznie zatrzymać w precyzyjnie wybranym stadium. Otrzymaną w ten sposób strukturę mieszaniny można następnie utrwalić, na przykład za pomocą zmian temperatury. Zgłoszona do opatentowania metoda kontrolowania separacji mieszanin polimerów i ciekłych kryształów za pomocą pola elektrycznego okazuje się więc świetną drogą do tworzenia nowych materiałów.
Opisane badania zostały sfinansowane z grantów Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego, programu TEAM Fundacji na rzecz Nauki Polskiej oraz European Science Foundation.
Informacja prasowa Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk.
