Микро- и нанопористые структуры, получаемые в полимерах при помощи пучков ускоренных тяжелых ионов, страница 2

Структура трека в нанометровом масштабе. Исследование макроскопических характеристик облученных полимеров (ПЭТФ, ПК, ПП, ПЭ, фторполимеры) показало, что воздействие тяжелых ионов вызывает эффекты во многом качественно сходные с таковыми, вызываемыми излучением с низкой линейной передачей энергии  (ЛПЭ) [7-13]. Это является естественным следствием того, что существенная доля энергии иона передается тормозящей среде через каскад вторичных электронов, формирующих оболочку трека. В оболочке трека тяжелого иона происходят такие же радиационно-химические реакции, как и при воздействии электронов или гамма-квантов. Вместе с тем, при высокой ЛПЭ наблюдаются и отличия, например, существенное смещение баланса между процессами деструкции и сшивания в сторону последнего, а также значительный рост выхода ненасыщенных связей в водородсодержащих полимерах. Увеличение вероятности сшивания, по-видимому, обусловлено высокой мгновенной концентрацией радикалов на малых расстояниях от траектории тяжелого иона. Высокий выход ненасыщенных связей является следствием специфических условий в сердцевине трека тяжелого иона. Как известно, чрезвычайно высокая плотность ионизации в сердцевине трека приводит к образованию на короткое время положительно заряженного «шнура», в котором электростатические силы инициируют короткий столкновительный каскад. При этом в первую очередь происходит смещение наиболее легких атомов и ионов – H и H⁺. Таким образом, образование ненасыщенных структур в треках тяжелых ионов может происходить по особым механизмам, принципиально отличающимся от обычных радиационно-химических реакций. Глубокая трансформация структуры полимера в сердцевине трека тяжелого иона обуславливает ее способность к избирательному химическому травлению. Даже в таком типичном сшивающемся полимере, как полиэтилен, тяжелые ионы оставляют треки, которые выявляются при воздействии хромовой кислоты [12]. Это является одним из свидетельств того, что сердцевина трека формируется за счет упомянутого выше физического механизма. Важным свойством сердцевины трека является увеличенный свободный объем. Свободный объем обеспечивает облегченный транспорт травителя вдоль оси трека и увеличение скорости химической реакции травления в узкой области вокруг траектории иона. Нельзя не отметить двойственность свойств сердцевины трека: ее поперечный размер определяется быстрым физическим процессом [8] и практически не зависит от следующих за ним вторичных реакций, в то время как состояние вещества в сердцевине трека существенно зависит от вторичных реакций продуктов радиолиза. Это проявляется в зависимости скорости химического травления треков от окисления на воздухе, от температуры при облучении [14], от присутствия в полимере антиоксиданта [12].

     Метод химического травления, изначально предложенный лишь для визуализации треков, оказался весьма полезным для выявления пространственной структуры треков тяжелых ионов на нанометровом уровне. Химическое травление в комбинации с техникой кондуктометрических измерений микро- и нанопор были применены для исследования структуры треков многозарядных ионов с атомными номерами от 18 до 92 [8, 15-18].

Рис. 3. Вверху: локальная скорость травления вещества в треке как функция радиуса на примере трека иона урана в ПЭТФ [15, 19]; внизу: характеристический диаметр трека d^* в ПЭТФ как функция ЛПЭ для ускоренных ионов различных масс и энергий [16].