CC BY
34
УДК 620.169.1
ВЛИЯНИЕ НАГРУЖЕНИЯ НА НУЛЕВУЮ ДИНАМИКУ В НАНОКРИСТАЛЛИТАХ ОРИЕНТИРОВАННОГО ПОЛИЭТИЛЕНА
© А.И. Слуцкер, В.И. Бетехтин, А.Г. Кадомцев
Ключевые слова: полимерная молекула; динамика; частота колебаний; растяжение; энергия нагружения; энергия нулевая.
Измерено упругое растяжение межатомных связей и уменьшение частоты колебаний при этом. Установлено различное по знаку изменение внутренней энергии полимера и нулевой энергии колебаний молекул при нагружении.
Структура ориентированного полимера-полиэтилена (ПЭ) весьма благоприятна для исследования явлений и процессов, вызываемых механическим нагружением в твердых телах.
Ориентированный ПЭ построен из фибрилл -стержневидных элементов поперечником ~20-50 нм, оси которых направлены вдоль оси ориентации волокноподобного образца. Фибриллы состоят из последовательностей кристаллитов с продольными размерами —10-30 нм. Оси цепных молекул в кристаллитах прямолинейны и направлены вдоль осей фибрилл и оси ориентации всего образца [1]. Такая структура создает условия для реализации простейшего и важнейшего вида нагружения - одноосного растяжения образца, при котором осуществляется контролируемое растяжение скелетных межатомных связей в цепных, полимерных молекулах.
Ангармоничность скелетных С-С связей в ПЭ приводит к уменьшению коэффициента линейной упругости связей при их растяжении, что вызывает уменьшение частоты продольных колебаний скелетных атомов [2, 3].
В настоящей работе экспериментально исследовалось упругое растяжение ориентированного ПЭ при 100-300 К. Методом рентгеновской дифракции по сдвигу рефлекса 002 при нагружении измерялось растяжение скелетных С-С связей и определялся модуль Юнга цепной молекулы ПЭ. По этим данным находилась работа внешней силы по растяжению связи, т. е. находилась энергия, введенная в звено молекулы ПЭ.
Методом романовской спектроскопии по частотному сдвигу полосы в спектре ПЭ при нагружении регистрировалось и измерялось уменьшение (!) частоты колебаний скелетных атомов. Поскольку скелетные колебания в ПЭ отличаются высокой частотой и, соответственно, имеют высокую характеристическую (де-баевскую) температуру (—1600 К), то энергия колебаний при Т < 300 К на 99,5 % является нулевой энергией [4] (и только менее 0,5 % - тепловая энергия). Поэтому измеренное уменьшение частоты колебаний (Ду) озна-
чает уменьшение (!) в нулевой энергии (ДЕ0 ~ 1/2hAv), h - постоянная Планка). Уменьшение в нулевой энергии С-С звена молекулы ПЭ при том, что нагружением в этом звене энергия повышена, ставит вопрос о детализации энергетики колебательной динамики в полимере как в неназагруженном, так и в нагруженном состоянии. Очевидно, ключевая роль в выяснении особенностей нулевой динамики полимера принадлежит ангармоничности колебаний. Анализ динамики ангармонических квантовых осциллирующих систем, развитой до сих пор недостаточно, является предметом дальнейших исследований интересного вопроса о влиянии нагружения на нулевую динамику в полимерах.
ЛИТЕРАТУРА
1. Марихин В.А., Мясникова Л.П. Наномолекулярная структура полимеров. М.: Наука, 1977. 320 с.
2. Волькенштейн М.В., Ельяшевич М.А., Степанов Б.И. Колебания молекул. Москва; Ленинград: ГИТТЛ, 1949. 600 с.
3. Vettegren V.I., Novak 1.1. Determination of atomic stress distribution in stressed polymers // J. Polymer Sci.: Polymer Phys. Ed. 11. 1973. Р. 2135
4. Киттель Ч. Введение в физику твердого тела. М.: Наука, 1982. 792 с.
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при поддержке Программы фундаментальных исследований Президиума РАН «Квантовые мезоскопические и не-упорядочные системы», проект № 10.20.
Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.
Slutsker A.I., Betehtin V.I., Kadomtsev A.G. INFLUENCE OF LOADING ON ZERO DYNAMICS IN NANOCRYSTALLITES OF FOCUSED POLYETHYLENE
Elastic stretching of inter-atomic communications and reduction of frequency of fluctuations thus is measured. Various changes on a sign of internal energy of polymer and zero energy of fluctuations of molecules are established when loading.
Key words: polymeric molecule; dynamics; frequency of fluctuations; stretching; energy of loading; energy zero.
2010
