Во многих промышленных процессах используются смеси. Исследователи из Института физической химии Польской академии наук изучили, как внешнее электрическое поле влияет на скорость разделения компонентов в смесях, состоящих из полимеров и жидких кристаллов, а также в смесях, состоящих из различных типов полимеров. Наблюдения открыли интересные возможности, например, для разработки новых композиционных материалов.
Неоднородные смеси полимеров с другими полимерами или жидкими кристаллами широко используются в промышленности - в жидкокристаллических дисплеях, датчиках расхода газа, оптических запоминающих устройствах и других устройствах. Исследователи из Института физической химии Польской академии наук (IPC PAS) в Варшаве проанализировали поведение таких смесей в переменном внешнем электрическом поле. «Нам удалось точно определить условия, позволяющие даже в тысячу раз ускорить процесс разделения компонентов в исследуемых смесях», - говорит профессор Роберт Холист.
Со временем многие смеси самопроизвольно распадаются на компоненты, обычно с очень низкой скоростью. Давно известно, что сепарацию можно ускорить, если неоднородную жидкость поместить во внешнее переменное электрическое поле с адекватно настроенной частотой. Принято считать, что ускорение разделения происходит за счет ионов - природных составляющих таких смесей.
Исследователи из Института физической химии PAS изучали смеси полимера с другим полимером или жидким кристаллом. При наличии переменного электрического поля напряженностью в несколько миллионов вольт на метр ионы компонента с большей проводимостью начинают свободно двигаться к электроду с противоположным зарядом. Достигнув границы раздела фаз с непроводящим материалом с другой стороны, они сильно тормозятся. «В этих условиях на границе раздела возникает дополнительная сила. При изменении электрического поля соответствующей частоты ионы начинают дергать границу раздела. За счет дергания капли компонента сливаются друг с другом значительно эффективнее, чем в обычном случае, что приводит к более быстрому разделению обеих фаз», - говорит Наталья Зебач, аспирант ИПЦ ПАН.
Эффективность разделения исследуемых смесей на компоненты сильно зависит от частоты приложенного электрического поля. Оптические измерения, проведенные в ИПЦ ПАС, показали, что в оптимальных условиях на частотах до килогерцового диапазона разделение происходит даже в тысячу раз быстрее. Слишком низкие или слишком высокие частоты электрического поля не приводят к значительным движениям ионов, и разделение происходит с регулярной низкой скоростью. Физический механизм явления предполагает, что аналогичный эффект можно ожидать во всех смесях, загрязненных ионами и содержащих компоненты с различной зарядовой проводимостью.
Управление скоростью процесса разделения в столь длительном диапазоне времени, простирающемся на три порядка, открывает путь к интересным приложениям. Процесс разделения можно провести очень быстро, а затем практически остановить на точно выбранной стадии. Структуру полученной таким образом смеси можно затем зафиксировать, например, путем изменения температуры. Таким образом, метод управления разделением смесей полимеров и жидких кристаллов с помощью электрического поля оказался отличным инструментом для разработки новых материалов. Подана заявка на патент на метод.