Acrylic glass

Koostis / struktuur

Sünteetiline amorfne polümeer, polümetüülmetakrülaat (PMMA), tuntud ka kui pleksiklaas (ik plexiglass), orgklaas, orgaaniline klaas, ka lihtsalt akrüül.

Omadused

Läbipaistev värvuseta materjal, tihedus 1150-1190 kg/m³, Youngi moodul 2,5 GPa. PMMA on termoplastik (sulab soojendamisel), ta klaasistumistemperatuur on 105 °C ja sulamistemperatuur 130-140 °C. PMMA murdumisnäitaja on 1,492 (λ=589,3 nm). PMMA on elektriisolaator, tema eritakistus on suurusjärgus 10¹³ W×m, läbilöögipinge 25 MV/m.

Saamine

Monomeeri metüülmetakrülaadi polümeriseerimisel. Materjal töötati välja erinevates laborites aastal 1928 ja ilmus turule 1933.

Rakendused

Mitmesugustes rakendustes silikaatklaasi asendajana, olles viimasest üle kahe korra kergem. PMMA baasil on valmistatud akrüülvärvid, milles PMMA on lahustatud madalmolekulaarses lahutis, lahus võib olla dispergeeritud vees (lateksvärvid, vesiakrüülvärvid). Lahusti aurumisel kattub värvitav pind õhukese värvipigmenti sisaldava PMMA kilega. Pooljuhtkiipide valmistamisel on õhukesed PMMA kiled kasutusel elektronresistidena*.

*Elektronresist-kile saadakse madalamolekulaarses lahustis lahustatud polümeeri kandmisel õhukese kihina töödeldava pooljuhtmaterjali pinnale vurrkatturi abil, pärast lahusti aurumist jääb pinnale õhuke PMMA kile. Taolise kile kiiritamine kõrge energiaga elektronide abil (elektronkiir-litograafia) lõhub ruumiliselt selektiivselt keemilisi sidemeid polümeeris (vt ka D91.3). Kiiritatud piirkondi saab hõlpsamine (võrreldes kiiritamata piirkondadega) keemiliselt välja söövitada – selliselt avaneb pooljuhtmaterjali pind edasiseks töötlemiseks. PMMA resistide kasutamisega saavutatakse väga kõrge ruumiline lahutus, mis on oluline nanotehnoloogilistes rakendustes.

Näidised

E91.1. PMMA plokk.

Demod, katsed

D91.1. PMMA murdumisnäitaja määramine. Foto lubab jämedalt määrata PMMA murdmisnäitaja. Plaat on asetatud vaatesuuna suhtes 45° nurga alla, millimeetertaust on vaatesuunaga risti. Foto on tehtud kaugelt võrreldes plaadi mõõtmetega. Lugedes fotolt välja allpool toodud skeemil tähistatud suurused s = 4 mm ja d = 9 mm, saame murdumisnäitaja  väärtuseks valemist (mille huviline lugeja kindlasti ka ise tuletada suudab) n = 2^-1/2sin^-1[arctg(1-s/d)] = 1,46, mis on meie mõõtmistäpsust arvestades suhteliselt hea tulemus.

D91.2. Lichtenbergi kujundid [4] – neid jälgiti esmakordselt Saksa füüsiku Christoph Lichtenberg (1742-1799) poolt kui 2D elektrilahenduse jälgi tolmuga kaetud plaatidel. Kõrvaloleval fotol nähtav ruumiline Lichtenbergi kujund on elektrilise läbilöögi jälg PMMA plokis (vasakul läbivas, paremal hajunud valguses). Kõrge energiaga elektronide (3‑5 MeV) kimbu abil moodustati plokis ruumilaeng, elektriline läbilöök tekitati alumise tahu keskpunkti lülitatud maanduselektroodiga.

Külgvaade näitab, et elektronid on tunginud blokki 5…6 mm sügavusele. Plokis pidurdunud ja lokaliseerunud elektronide pilve ruumiline paksus on suhteliselt väike. Kasutatud energiaga elektronid liiguvad algselt kiirusega, mis moodustab kuni 99,5% valguse kiirusest vaakumis, st PMMA plokis, kus valguse kiirus on 2·10⁸ m/s, liiguvad nad valgusest kiiremini.

Vasakul: mikrofotod Lichtenbergi kujunditest PMMA plokis läbivas valguses (Urmo Visk).

D91.3.Elektronkiirituse mõju PMMA struktuurile. PMMA kiiritamine kiirete elektronidega (D91.2) lõhub polümeerahelate struktuuri (tekitab nendes defekte), mille tulemusel spektri sinises piirkonnas ilmneb nõrk neeldumine. See avaldub vaevumärgatava kollaka tooni tekkena läbivas valguses PMMA ploki selles pooles, mida elektronid läbisid. Värviküllastuse suurendamine foto digitöötlusel toob selle erinevuse selgelt esile.

Hoopis selgemini avaldub defektide olemasolu nende luminestsentsi kaudu, mida ergastab plokki läbiv He-Cd laseri sinine kiir (λ=441,6 nm). Laserikiir siseneb plokki paremalt, elektronidega on plokki kiiritatud vasakult. Vasakpoolne  foto on “naturaalne” ja kujutab olulises osas hajunud laserkiirgust, parempoolne on tehtud läbi kollase filtri, mis lõikab maha sinise laserkiirguse – nähtavaks jääb vaid rohekas luminestsentskiirgus.

On huvitav, et teatud erinevus laserikiire intensiivuses ploki kiiritatud ja kiiritamata osas on täheldatav ka He-Ne laseri punase valguse (λ=632,8 nm) kasutamisel (klõpsa pildil vaatamaks suuremat formaati), mis luminestsentsi ei ergasta. Selle võimalik põhjus on elektronkiirituse poolt amorfses PMMAs tekitatud tiheduse (ja seega ka murdumisnäitaja) nanoskoopilised fluktuatsioonid, mis taolist hajumist (Rayleigh hajumist) põhjustavad.

Viited:

1. Acrylic glass. Wikipedia [14.02.07]
2. Polymethylmethacrylate – Acrylic – PMMA General Purpose. AZoM™ – The A to Z of Materials [14.02.07]
3. PMMA. The Macrogalleria [14.02.07]
4. What are Lichtenberg Figures and how are they produced? [14.02.07]

Tänu: EFS Teadusbuss “Suur Vanker”, Urmo Visk, Artur Suisalu

Koostas: JK