高分子超薄膜中小分子扩散行为的量热学研究

Sorption and desorption, diffusion and motion of small molecules in polymer ultrathin films, like glass transition in ultrathin films, has been a problem of great importance in solid state phyiscs, as well as significance of pratical applications.But due to limited experimental techniques, there is limited work toward its intensive study. Thanks to its pico ultra-high sensitivity in level of pico-J/K and the direct relationship between the measured signal with the sample heat capacity(or sample mass), high sensitive alternating current (AC) differential membrance calorimeter (here ACDMC in short) fits in particular to the work in this field. So, in this project, we plan to use the environment atomsphere controlled ACDMC to study the kinetics of the process of diffusing into, or evacuating from the ultra-thin polymer films of small solvent molecules, to study their relationships between the polymer/solvent interaction and polymer glass transition behaviors, so as to deep our interpretation of thermodynamics, kinetics of relaxation and diffusion in the system of polymer/small molecules, and provide theoretical basis to improve the performance or stability of ultrathin film polymer devices or components.

小分子在高分子超薄膜中的吸附与脱附，扩散与迁移等问题与高分子超薄膜的玻璃化转变一样，既是固体物理领域一个重要的问题，在高技术领域有着同样重要的应用背景。但由于缺少合适的实验手段，却少有课题组进行深入研究。高灵敏交流差分薄膜量热仪，由于其极高的灵敏度以及信号与样品热容和样品质量的直接对应关系，使得它特别适合开展这方面的工作。因此本项目采用环境气氛可控的高灵敏量差分交流量热仪，对溶剂小分子扩散进入，或者从高分子超薄膜中逃逸的动力学进行研究，考察该动力学与高分子/小分子相互作用、高分子超薄膜玻璃化转变行为之间关联，以期加深对小分子-高分子超薄膜体系中相互作用的热力学、松弛与扩散动力学行为的理解，也为提高高分子超薄膜器件或者组件的性能及稳定性提供理论参考。

因此本项目采用环境气氛可控的高灵敏量差分交流量热仪，对溶剂小分子扩散进入，或者从高分子超薄膜中逃逸的动力学进行研究，考察该动力学与高分子/小分子相互作用、高分子超薄膜玻璃化转变行为之间关联，以期加深对小分子-高分子超薄膜体系中相互作用的热力学、松弛与扩散动力学行为的理解，也为提高高分子超薄膜器件或者组件的性能及稳定性提供理论参考。在高分子超薄膜界面动力学稳态化研究中，我们测量了同一超薄膜样品分别采用交流量热技术获得动态玻璃化转变温度Tg,dyn和退火热历史对应的虚拟温度Tfic。我们发现了Tg,dyn和Tfic的去耦合。去耦合的程度与高分子分子量、界面相互作用密切相关。这一工作有助于解释有关超薄膜玻璃化转变温度的一些争议性结果。利用溶剂分子以及高分子共混物中的扩散行为，我们设计了基于气体扩散和spinodal-decomposition相分离机制的可控电阻率薄膜材料。相分离前后电阻率可以发生6个数量级左右的变化，这一材料有望用于为部分电子器件提供安全保护。受项目共同资助，我们开发了液滴强化制冷、以及基于FPGA的技术，可以较现有超高量热技术的降温速度可以再提高1-2个数量级。尤其重要的是，这一高速降温速度可以适用于较大的样品，以及在较小样品-环境温差的情况下。受本项目及其他项目共同资助，以通讯作者在Macromolecules，Macromolecular Rapid Communication，Polymer，J. Polym. Sci. B Polym. Phys.等共发表学术论文13篇，与清华大学、Stanford大学，Wisconsin大学，Rostock大学等教授合作发表论文7篇。项目组受邀在国内外学术会议上做邀请报告9次。