Insights into glass surface dynamics from fast scanning calorimetry studies of softening and vaporization of ultrathin molecular films

无定形固体 材料科学 分子动力学 玻璃化转变 汽化 化学物理 薄膜 差示扫描量热法 量热法 纳米技术 热力学 聚合物 复合材料 结晶学 化学 计算化学 有机化学 物理
作者
Rinipal Kaur,Abigail Ladau,Deepanjan Bhattacharya,Vlad Sadtchenko
出处
期刊:Journal of Chemical Physics [American Institute of Physics]
卷期号:161 (13)
标识
DOI:10.1063/5.0233890
摘要

Chemical and physical processes on the surfaces of amorphous solids have been the focus of many studies over the past decades. These studies have established that dynamics in a thin layer near a glass surface are often dramatically faster than those in the glass bulk. Nevertheless, recent advances also emphasize the need for new experimental techniques capable of characterizing the structure and dynamics of the near-surface regions in glassy materials at the molecular length scale. Using a quasi-adiabatic fast scanning calorimetry (FSC) technique, we have investigated softening and vaporization of pure amorphous methylbenzene films of moderately heightened kinetic stability with thicknesses ranging from 1 to 20 nm. The analysis of the FSC thermograms reveals the existence of a high fictive temperature (liquid-like) layer on the surface of the solid glass with a thickness of 3.5 ± 0.5 nm or seven molecular diameters. Furthermore, the width of the boundary between liquid-like and solid layers in the films is less than 1 nm. These preliminary findings compliment and substantiate past determinations of the mobile surface layer thicknesses obtained by introduction of nanoparticles or spectroscopic molecular probes to near-surface regions of amorphous samples. The developed FSC methodology will advance the theoretical and computational research by providing calorimetric data on the enhanced interfacial dynamics phenomenon in a variety of low-molecular-weight amorphous materials.

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