Naukowcy z linii badawczej CIRI rozwijają metodę kalkulacji orientacji makromolekuł w przestrzeni trójwymiarowej bazującą na pomiarach mikroskopowych ze światłem z zakresu środkowej podczerwieni spolaryzowanym liniowo pod różnymi kątami. Rekonstrukcja eksperymentalnego kształtu zależności absorpcji od polaryzacji poprzez dopasowanie funkcji nieliniowej do punktów danych otrzymanych w pomiarów pozwala na uzyskanie kątów determinujących orientację makromolekuł w przestrzeni trójwymiarowej oraz parametr opisujący stopień organizacji próbki. Pomiary zostały wykonane z użyciem detektora matrycowego FPA dostępnego na stacji końcowej mikroskopii FT-IR na linii CIRI.

Metoda ta jest nieniszcząca i nie wymaga znakowania, co czyni ją szczególnie przydatną do obrazowania i ilościowego określania parametrów uporządkowania w różnych typach anizotropowych próbek polimerowych i biologicznych. 

Badanie koncentruje się na charakterystyce strukturalnej poli(kwasu mlekowego) PLLA, biodegradowalnego polimeru znanego ze swojego polimorfizmu i znacznego potencjału w różnych zastosowaniach ze względu na jego przyjazny dla środowiska charakter. Naukowcy przygotowali cienkie folie PLLA i dzięki obróbce termicznej uzyskali próbkę o zróżnicowanej morfologii z fazą amorficzną, izolowanymi sferulitami i większymi skupiskami fazy semikrystalicznej. Rekonstrukcja trzech kątów orientacji makromolekuł wykazała, że organizacja makrocząsteczek w fazie amorficznej jest przypadkowa, a orientacja molekuł różni się od fazy semikrystalicznej także w trzecim wymiarze w cienkich filmach. 

Odkrycia pokazują, że metoda 4P-IR może zapewnić szczegółowy wgląd w organizację molekularną materiałów. Parametr stopnia organizacji <P2> umożliwia rozróżnienie i lokalizację regionów amorficznych i krystalicznych na podstawie ich orientacji makrocząsteczkowej, oferując nowe spojrzenie na morfologię polimerów. Naukowcy podkreślają potencjał tej metody w zakresie lepszego zrozumienia struktur polimerowych i przyczynienia się do opracowania wysokiej jakości materiałów o dostosowanych właściwościach.

Metoda „czterech polaryzacji”  4P-IR może stać się cennym narzędziem dla naukowców badających złożone układy polimerowe.

Rys. 1. Obraz z mikroskopu optycznego folii PLLA (a). Wyniki orientacji 4P-3D dla pary 1088–1041 cm^–1. Wizualizacja pierwszego dipolowego momentu przejścia (1088 cm–1): centrum zarodkowania (b), granice między sferulitami a fazą amorficzną (c) oraz obraz <P2>.

Autor: dr inż. Karolina Kosowska

Link do publikacji: K. Kosowska, Paulina Kozioł-Bohatkiewicz, Maciej Roman, Tomasz P. Wrobel, Insight into Poly(L‑lactic acid) Coexisting Amorphous and Semicrystalline Phases Using FT-IR Imaging and Four Polarization-Three Dimensional Macromolecular Orientation Calculation, Macromolecules, 57, 9, 4335-4344 doi: 10.1021/acs.macromol.3c01593 

Badania zostały wykonane w ramach grantu Narodowego Centrum Nauki Miniatura-6 (2022/06/X/ST4/01454) „Optimization and development of the method of imaging the orientation of 3D macromolecules - crystallization of polymers under various conditions”