Cовмещение методов нанокалориметрии и атомно-силовой микроскопии для исследования структурообразования на наношкале

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

На данный момент активно развивается широкий спектр аналитических экспресс-методов, предназначенных для физико-химического анализа органических соединений. В данной работе показана возможность исследования микроколичеств полимерных материалов с использованием метода нанокалориметрии на чипе, совмещенного с атомно-силовой микроскопией. В работе создана экспериментальная установка для проведения совмещенных исследований методами сверхбыстрой калориметрии на чипе (нанокалориметрии) и атомно-силовой микроскопии (АСМ), рассмотрены основные технологические аспекты совмещения двух методов, и изучено поведение нанокалориметрического сенсора при взаимодействии с холодным кантилевером АСМ в ходе измерений in situ микроколичеств полимерных материалов при различных температурах.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. Ф. Ахкямова

МГУ имени М.В.Ломоносова; Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии РАН (ФИЦ ПХФ и МХ РАН); Национальный исследовательский технологический университет МИСиС (НИТУ МИСиС)

Email: azigy@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-0177-7818

мл. науч. сотр.

Россия, Москва; Черноголовка; Москва

А. Ф. Абукаев

МГУ имени М.В.Ломоносова

Email: azigy@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-7164-5688

мл. науч. сотр.

Россия, Москва

И. И. Рулев

МГУ имени М.В.Ломоносова; Национальный исследовательский технологический университет МИСиС (НИТУ МИСиС)

Email: azigy@mail.ru
ORCID iD: 0009-0000-9652-7680

мл. науч. сотр.

Россия, Москва; Москва

А. Ю. Коняхина

НТУ "Сириус"

Email: azigy@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-0287-3396

мл. науч. сотр.

Россия, федеральная территория "Сириус"

А. П. Мельников

МГУ имени М.В.Ломоносова

Email: azigy@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-2277-9644

к.ф.-м.н., науч. сотр.

Россия, Москва

Д. А. Иванов

МГУ имени М.В.Ломоносова; Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии РАН (ФИЦ ПХФ и МХ РАН); НТУ "Сириус"; Национальный исследовательский технологический университет МИСиС (НИТУ МИСиС)

Автор, ответственный за переписку.
Email: azigy@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-5905-2652

к.ф.-м.н., ст. науч. сотр.

Россия, Москва; Черноголовка; федеральная территория "Сириус"; Москва

Список литературы

  1. Allen L.H., Ramanath G., Lai S.L., Ma Z., Lee S., Allman D.D.J., Fuchs K.P. 1000000 °C/s thin film electrical heater: In situ resistivity measurements of Al and Ti/Si thin films during ultra-rapid thermal annealing, Appl Phys Lett, 64 (4), 417-419, 1994. https://doi.org/10.1134/S0031918X17060102
  2. Lai S.L., Guo J.Y., Petrova V., Ramanath G., Allen L.H. Size-dependent melting properties of small tin particles: nanocalorimetric measurements, Phys Rev Lett, 1986. Vol. 77 (1), PP. 99-102. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.77.99
  3. Merzlyakov M. Method of rapid (100 000 K.s−1) controlled cooling and heating of thin samples, Thermochim Acta, 2006. Vol. 442. PP. 52–60. https://doi.org/10.1016/j.tca.2005.11.018
  4. Minakov A.A., A.W. van Herwaarden, Wien W., Wurm A., Schick C. Advanced nonadiabatic ultrafast nanocalorimetry and superheating phenomenon in linear polymers, Thermochim Acta, 2007. Vol. 461. PP. 96–106. https://doi.org/10.1016/j.tca.2007.03.020
  5. Ahrenberg M., Shoifet E., Whitaker K.R., Huth H., Ediger M.D., Schick C. Differential alternating current chip calorimeter for in situ investigation of vapor-deposited thin films, Rev Sci Instrum, 2012. Vol. 83:033902. https://doi.org/10.1063/1.3692742
  6. Donald W.A., Leib R.D., O’Brien J.T., Holm A.I.S., Williams E.R. Nanocalorimetry in mass spectrometry: a route to understanding ion and electron solvation, Proc Natl Acad Sci, 2008. Vol. 105 (47). PP. 18102–18107. https://doi.org/10.1073/pnas.0801549105
  7. Bersenev E.A., Maryasevskaya A.V., Komov E.V., Anokhin D.V., Ivanov D.A. Exploring the Complexation of Counterion in Novel Family of Polyelectrolytes with Unexpected Solubility Behaviour, Key Eng Mat, 2020. Vol. 869. PP. 61–68. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.869.61
  8. M. van Drongelen, Meijer-Vissers T., Cavallo D., Portale G., Androsch R. Microfocus wide-angle X-ray scattering of polymers crystallized in a fast scanning chip calorimeter, Thermochim Acta, 2013. Vol. 563. PP. 33–37. https://doi.org/10.1016/j.tca.2013.04.007
  9. Baeten D., Mathot V.B.F., Pijpers T.F.J., Verkinderen O., Portale G., Puyvelde P., Goderis B. Simultaneous synchrotron WAXD and fast scanning (Chip) Calorimetry: on the Isothermal crystallization of HDPE and PA11 at high supercoolings and cooling rates up to 200 °C·s–1, Macromol Rapid Commun. Vol. 36. PP. 1184–1191. https://doi.org/10.1002/marc. 201500081
  10. Melnikov A.P., Rosenthal M., Ivanov D.A. What Thermal Analysis Can Tell Us About Melting of Semicrystalline Polymers: Exploring the General Validity of the Technique, ACS Macro Lett. 2018. Vol. 7 (12). PP. 1426–1431. https://doi.org/10.1021/acsmacrolett.8b00754
  11. Doblas D., Rosenthal M., Burghammer M., Chernyshov D., Spitzer D., Ivanov D. Smart Energetic Nano-Sized Co-Crystals: Exploring Fast Structure Formation and Decomposition, Crystal Growth and Design. 2015. Vol. 16. https://doi.org/10.1021/acs.cgd.5b01425
  12. Rosenthal M., Melnikov A.P., Burghammer M., Ivanov D.A. Reorganization of semicrystalline polymers on heating: Analyzing common misconceptions in the interpretation of calorimetric data. Response on the "Comment on "Re-exploring the double-melting behavior of semirigid-chain polymers with an in-situ combination of synchrotron nanofocus X-ray scattering and nanocalorimetry" by Dimitri A. Ivanov et al. [Euro. Polym. J. 81. 2016. PP. 598–606], Eur Polym J. 2017. Vol. 94. PP. 517–543. https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2017.06.036
  13. Odarchenko Y., Rosenthal M., Hernandez J., Doblas D., Di Cola E., Soloviev M., Ivanov D. Assessing Fast Structure Formation Processes in Isotactic Poly- propylene with a Combination of Nanofocus X-ray Diffraction and In Situ Nanocalorimetry, Nanomaterials. 2021. Vol. 11. P. 2652. https://doi.org/10.3390/nano11102652
  14. Яминский И.В., Иванов Д.А., Ахметова А.И., Максимова Н.Е., Мельников А.П., Ахкямова А.Ф. Измерение структуры и теплофизических характеристик образцов с помощью совмещенной атомно-силовой микроскопии и нанокалориметрии. НАНОИНДУСТРИЯ. 2022. Т. 15. № 7–8. C. 418–425. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.7-8.418.425
  15. Rosenthal M., Doblas D., Hernandez J.J., Odarchenko Y.I., Burghammer M., Di Cola E., Spitzer D., Antipov A.E., Aldoshin L.S., Ivanov D.A. High-resolution thermal imaging with a combination of nano-focus X-ray diffraction and ultra-fast chip calorimetry, J Synchrotron Radiat. 2014. Vol. 21. PP. 223–228. https://doi.org/10.1107/S1600577513024892
  16. Liu Y., Sun Z.Y., An L.J. The study of banded spherulite patterns by coupled logistic map lattice model. Eur. Phys. J. B. 2008. Vol. 62. PP. 481–484. https://doi.org/10.1140/epjb/e2008-00179-8
  17. Ivanov D., Magonov S. Atomic Force Microscopy Studies of Semicrystalline Polymers at Variable Temperature. 2008. https://doi.org/10.1007/3-540-45851-4_7
  18. Ivanov D., Bar G., Dosière M., Koch M.H.J. A Novel View on Crystallization and Melting of Semirigid Chain Polymers: The Case of Poly(trimethylene terephthalate) Macromolecules. 2008. Vol. 41 (23). PP. 9224–9233. https://doi.org/10.1021/ma801604a

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис.1. Общий вид универсального держателя с нанокалориметрическим сенсором

Скачать (26KB)
Метаданные
3. Рис.2. Процедура захвата частицы кератиновым волокном

Скачать (16KB)
Метаданные
4. Рис.3. Вид управляющей головки АСМ непосредственно над активной зоной нанокалориметрического сенсора (a). Оптическое изображение совмещенной активной зоны нанокалориметрического сенсора и кантилевера АСМ (b)

Скачать (42KB)
Метаданные
5. Рис.4. Графики температурного скачка на сенсоре, в режиме реального времени при введении кантилевера в систему при температурах 50 °С, 100 °С, 150 °С и 200 °С

Скачать (17KB)
Метаданные
6. Рис.5. График зависимости величины температурного скачка на сенсоре при введении кантилевера в зависимости от температуры активной области сенсора

Скачать (20KB)
Метаданные
7. Рис.6. АСМ-изображения топографии поверхности активной области нанокалориметрического сенсора при 50 °C (слева) и 200 °C (справа)

Скачать (84KB)
Метаданные
8. Рис.7. АСМ-изображение изотермически закристаллизованного при 210 °C образца поли(триметилентерефталата) при температуре нанокалориметрического сенсора 200 °C

Скачать (38KB)
Метаданные

© Ахкямова А.Ф., Абукаев А.Ф., Рулев И.И., Коняхина А.Ю., Мельников А.П., Иванов Д.А., 2024