Synthesis and Brillouin spectroscopy investigation of polymer electrospun fibers embedding carbon atom wires

Carbon atom wires (CAWs) are widely studied for their outstanding predicted properties which need to be experimentally validated. These systems are sp-Carbon atoms bounded through the alternation of single-triple-single bond giving rise to Polyyne-like structure or through all equalized double bonds generating Cumulene-like structure. Chain length and endgroups are the most important parameters which determine CAW’s properties. Stability is an actual studied issue: kind of endgroups and structure configuration are responsible of the chain stability. The use of bulky endgroups and the polyyne-like structure generate very stable CAWs. A way to improve stability would be to incorporate CAWs in polymer matrix. Polymer solutions can be used to synthesize polymer fibers through electrospinning technique, which is playing an important role in nanotechnology progress. The two aims of this work are the synthesis of Polymehylmetacrilate (PMMA) fibers embedding CAWs through electrospinning technique and their mechanical characterization though Brillouin Spectroscopy. Two different kind of polyynes were embedded into the polymer fibers with a concentration of up to the 15% n/n with respect to polymer. Homogeneous diameter fibers of 1µm were obtained thanks to the use of optimized parameters for the electrospinning process. The Brillouin spectra showed numerous signals whose analysis allowed the identification of the longitudinal and transverse acoustic bulk modes in a PMMA fiber. Young and Shear Modulus were computed for synthesized fibers. The presence of CAWs in the PMMA fibers showed a slight shift on the Brillouin signals and consequently on the computed Young and Shear Modulus. In conclusion, bulk vibrational modes can be observed also in round fibers of 1µm diameter.

I fili di atomi di carbonio (CAWs) sono noti per le loro eccezionali proprietà, per le quali si necessita di dati sperimentali che le possano dimostrare. Questi sistemi sono atomi di Carbonio ibridizzati sp che si legano attraverso l’alternanza di legami singoli e tripli creando una Polina o attraverso doppi legami generando un Cumulene. La lunghezza della catena ed i gruppi terminali sono i parametri più importanti che determinano le proprietà dei CAWs. La stabilità è un problema attualmente studiato: il tipo di gruppo terminale e la configurazione della struttura sono responsabili della stabilità della catena. L’utilizzzo di gruppi ingombranti e la struttura della Polina generano dei CAWs molto stabili. Un modo per migliorare la stabilità sarebbe quello di incorporare i CAWs in una matrice polimerica. Le soluzioni polimeriche possono essere usate per sintetizzare fibre polimeriche attraverso la tecnica di elettrofilatura, la quale gioca un ruolo importante nel progresso della nanotecnologia. I due obiettivi di questo lavoro sono la sintesi di fibre di Polimeilmetacrilato (PMMA) che incorporano CAWs attraverso la tecnica di elettrofilatura e la loro caratterizzazione meccanica attraverso la spettroscopia Brillouin. Due differenti tipi di Poline sono state incorporate nelle fibre del polimero con una concentrazione fino al 15% n/n rispetto al polimero. Sono state ottenute fibre con diametro omogeneo di 1µm grazie all’utlizzo di parametri ottimizzati per il processo di elettrofilatura. Gli spettri Brillouin hanno mostrato numerosi segnali la cui analisi ha permesso l’identificazione dei modi acustici di bulk longitudinale e trasverso in una fibra di PMMA. I moduli di Young e di Taglio sono stati calcolati per le fibre sintetizzate. La presenza di CAWs nelle fibre di PMMA ha mostrato un leggero spostamento dei segnali sugli spettri Brillouin e una variazione dei moduli calcolati. In conclusione, sono stati osservati modi vibrazionali di bulk anche nelle fibre circolari di 1µm di diametro.