[논문 리뷰] Structural relaxation, softness and fragility of IPN Microgels

Valentina Nigro, Barbara Ruzicka외 5명|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 04.

Material Dynamics and Properties참고 문헌 4인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 X선 포톤 상관 분광법과 동적 빛산산측정을 이용하여 상호관통하는 고분자 네트워크(İPN) 마이크로젤의 역학을 조사하며, 비율 농도 $C_w^*$에서 초과 아레니우스에서 아레니우스보다 느린 거동로의 전이가 발생하고, $\beta$-지수의 최소값과 함께 플리크션에서 비정상적, 궁극적으로 구심운동으로의 확산 전이가 관찰된다. 입자 유연성은 PNIPAM-PAAc 조성 조절을 통해 제어되며, 이는 시스템의 부서지기 쉬운 성질을 직접적으로 조절한다. 더 딱딱한 입자는 더 부서지기 쉬운 거동를 보인다.

ABSTRACT

Soft colloids are elastic and deformable colloidal particles with a dual character somewhere between polymers and hard spheres. As a consequence of their hybrid nature soft colloids exhibit a larger variety of behaviours with respect to hard colloids still largely unexplored and able to provide new insight into the glass transition. Here the dynamics of a soft microgel made of interpenetrated polymer networks of PNIPAM and PAAc is investigated through X-ray Photon Correlation Spectroscopy and Dynamic Light Scattering. The existence of two dynamical regimes with increasing packing fraction is found, it is characterized by a crossover of the structural relaxation time at a critical concentration $C_w^*$ from a super-Arrhenius growth to a slower than Arrhenius behaviour. This transition is also accompanied by a minimum of the $\beta$ exponent in correspondence of $C_w^*$ and by the existence of different diffusive regimes. A theoretical prediction to describe the experimental data is provided: at very low concentration the dynamics is well described by a Fickian diffusion, at intermediate concentrations an effective non Fickian anomalous diffusion has to be considered, while at the highest investigated concentrations the emergence of a ballistic motion is well described within the Mode Coupling Theory. Moreover the fragility of IPN microgels can be tuned by varying the particle softness thanks to the mutual PNIPAM-PAAc network composition: stiffer particles provide more fragile behaviours.

연구 동기 및 목표

• 다양한 밀도 비율 조건에서 상호관통하는 고분자 네트워크(İPN)를 가진 부드러운 마이크로젤의 동적 거동을 이해하기 위해.
• 부드러운 콜로이드에서 비아레니우스 거동의 원인을 규명하고, 이를 구조적 및 기계적 성질과 연결하기 위해.
• 입자 유연성(주로 PNIPAM-PAAc 조성 제어를 통해)이 시스템의 부서지기 쉬움에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 다양한 농도 영역에서의 확산 특성(플리크션, 비정상적, 궁극적)의 성격을 규명하기 위해.

제안 방법

• X선 포톤 상관 분광법(XPCS)을 사용하여 집단 밀도 변동을 탐측하고 구조적 회복 시간을 측정하였다.
• 동적 빛산산측정(DLS)을 통해 입자 운동 및 확산 거동에 대한 보완적 데이터를 확보하였다.
• 밀도 비율 함수로서의 구조적 회복 시간 분석을 통해 $C_w^*$에서의 전이점을 규명하였다.
• 지수형 확산의 $\beta$-지수를 사용하여 동적 이질성의 정도를 평가하였다.
• 고밀도 영역에서 궁극적 운동의 발생을 기술하기 위해 모드 결합 이론(MCT)을 적용하였다.
• PNIPAM-PAAc 조성의 체계적 변화를 통해 입자 유연성과 부서지기 쉬움을 제어할 수 있었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 İPN 마이크로젤에서 밀도 비율 증가에 따라 구조적 회복 시간은 어떻게 변화하는가?
• RQ2 초과 아레니우스에서 아레니우스보다 느린 거동으로의 전이 원인은 무엇인가?
• RQ3 $\beta$-지수는 농도에 따라 어떻게 변화하며, 이는 동적 이질성에 대해 무엇을 시사하는가?
• RQ4 다양한 농도 영역에서 지배적인 확산 유형(Fickian, 비정상적, 궁극적)은 무엇인가?
• RQ5 PNIPAM-PAAc 고분자 네트워크 조성 조절을 통해 İPN 마이크로젤의 부서지기 쉬움을 얼마나 조절할 수 있는가?

주요 결과

• 비율 농도 $C_w^*$에서 구조적 회복 시간의 전이가 발생하여 초과 아레니우스에서 아레니우스보다 느린 거동으로 전이된다.
• $C_w^*$에서 $\beta$-지수가 최소값을 보이며, 이 농도에서 동적 이질성이 최대가 됨을 시사한다.
• 저농도에서는 플리크션 확산이, 중간 농도에서는 효과적인 비플리크션 비정상적 확산이 관찰된다.
• 최고 농도에서는 궁극적 운동이 나타나며, 이는 모드 결합 이론으로 잘 기술된다.
• PNIPAM-PAAc 조성 조절로 유도된 더 딱딱한 İPN 마이크로젤은 더 부서지기 쉬운 거동를 보이며, 이는 유연성 제어를 통한 부서지기 쉬움의 조절 가능성을 입증한다.