Metoda depolaryzacji światła jest jedną z wielu metod, które umożliwiają poznanie struktury wybranego polimeru. Inne - takie jak kalorymetria (pomiar własności cieplnych) czy pomiar ugięcia promieni rentgenowskich - są powolne.

"Szczególną cechą polimerów, w porównaniu z metalami, czy materiałami ceramicznymi, jest wpływ wewnętrznej struktury na własności fizyczne. Okazuje się, że ten sam polimer, w zależności od tego, jak układają się w jego wewnętrznej przestrzeni molekuły, może być miękki lub twardy, mocny lub słaby. To inaczej niż w przypadku metali, gdzie o własnościach decyduje przede wszystkim procentowy skład chemiczny" - wyjaśnia naukowiec.

Badanie z wykorzystaniem metody depolaryzacji światła umożliwia przewidywanie, jak polimer będzie się zachowywał podczas określonych procesów technologicznych. Dzięki tej wiedzy materiałoznawcy mogą tak modyfikować strukturę polimeru, by zmieniać ich właściwości fizyczne i chemiczne. "Naukowcy mogą w ten sposób zmieniać np. wytrzymałość mechaniczną czy odporność termiczną polimeru, określającą w którym momencie materiał mięknie i nie nadaje się do pewnych zastosowań" - tłumaczy prof. Ziabicki.

Na czym polega depolaryzacja światła? "Jeśli światło przepuścimy przez polaryzator – filtr polaryzacyjny lub pryzmat - wtedy drgania fali świetlnej ograniczają się do jednej płaszczyzny" - opowiada prof. Ziabicki. Metoda depolaryzacji światła jest czuła na zmiany strukturalne, które zachodzą w polimerach pod wpływem temperatury, ciśnienia czy szybkości chłodzenia.

"Jeżeli przez polimer, który nie wykazuje aktywności w stosunku do drgań światła, przepuścimy światło spolaryzowane, a na końcu tego układu ustawimy drugi filtr polaryzacyjny (analizator) pod kątem prostym do polaryzatora, wtedy światło wygasza się - mówi naukowiec. - Jeśli jednak w polimerze znajdują się drobne kryształki aktywnie oddziałujące z falą świetlną, to stan polaryzacji wywołany polaryzatorem ulegnie częściowemu cofnięciu. W wyniku takiego procesu – depolaryzacji - część światła przechodzi przez analizator i możemy zmierzyć jego natężenie. Natężenie światła przepuszczonego przez układ jest więc miarą stopnia depolaryzacji i – pośrednio – zawartości kryształków w próbce polimeru. W ten sposób możemy zaobserwować, kiedy, w jakich warunkach i z jaką szybkością struktura polimeru się zmienia".

Zaletą tej metody jest szybkość pomiaru, np. w odróżnieniu od metody pomiaru kalorymetrycznego, mierzącej ciepło topnienia polimeru. Czas otrzymania wyniku jest ważny, ponieważ naukowców interesują zmiany, jakie następują podczas procesów technologicznych, a te muszą być na bieżąco monitorowane. "Chcielibyśmy śledzić zmiany struktury polimeru w rozmaitych warunkach, ponieważ to daje nam wiedzę, która pozwala na opracowanie różnych procesów technologicznych" - opowiada prof. Ziabicki.

Układ pomiarowy służący do badania zmian struktury pozwala na bezpośredni i ciągły pomiar stopnia depolaryzacji światła. "Stopień depolaryzacji zawarty jest między zerem - przy braku uporządkowanych obszarów polimeru (krystalitów) i jednością - dla pełnej depolaryzacji - tłumacz prof. Ziabicki. Nasza aparatura pozwala na rejestrowanie ciągłe tych wyników i ich bieżący odczyt".

Drugą z zalet tej metody jest czystość pomiaru. Jak wyjaśnia naukowiec oprócz efektu depolaryzacji podczas przechodzenia światła przez próbkę polimeru obserwuje się efekty rozproszenia i pochłaniania światła przez struktury, które nie są kryształami i nie powodują depolaryzacji. A zatem, mierzone natężenie światła przechodzącego przez układ nie jest tylko czystym efektem depolaryzacji - ten efekt jest zaburzony przez pochłanianie i rozproszenie. Zbudowaliśmy układ, w którym efekt rozproszenia jest automatycznie uwzględniany. Otrzymujemy więc stopień depolaryzacji niezależny od rozproszenia i pochłaniania".

Od wielu lat naukowcy pracują nad zebraniem danych dotyczących stopnia rozproszenia i pochłaniania w różnych polimerach. Dane te uzupełniają informacje o strukturze materiału. "Obecnie mierzymy stopień depolaryzacji w sposób niezakłócony ewentualnymi zmianami rozproszenia, a będziemy jeszcze rejestrować wielkość rozproszenia, równolegle ze stopniem depolaryzacji" - informuje naukowiec.

Na razie urządzenie jest wykorzystywane w Instytucie Podstawowych Problemów Techniki PAN w Warszawie. Naukowcy mają nadzieję, że po opatentowaniu znajdzie zastosowanie w innych placówkach naukowych.

Badania teoretyczne i dotyczące konstrukcji układu pomiarowego były finansowane ze środków Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego oraz współpracy naukowej pomiędzy Polską Akademią Nauk i Narodową Akademią Nauk Ukrainy.

PAP - Nauka w Polsce, Bogusława Szumiec-Presch

agt