Establishment of nano-local structure analysis method for crystalline polymeric materials using 4D-STEM

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20H02782
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 35010:Polymer chemistry-related
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: MARUBAYASHI Hironori 東北大学, 多元物質科学研究所, 講師 (00723280)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 宮田 智衆 東北大学, 多元物質科学研究所, 助教 (10838949) ; 陣内 浩司 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (20303935)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 結晶性高分子 / 階層構造 / 4D-STEM / 電子回折 / 結晶構造 / 配向 / ラメラ晶 / 球晶

Outline of Final Research Achievements

The purpose of this study is to clarify the space-time distribution of lamellar crystals of semicrystalline polymers on a nanometer scale using four-dimensional scanning transmission electron microscopy (4D-STEM), a nanobeam electron diffraction method, and to obtain the molecular pictures of the hierarchical structure of polymers and its formation process (i.e., crystallization behavior). As a result, by optimizing the 4D-STEM measurement conditions for semicrystalline polymers and acquiring electron diffraction patterns from each point on the specimen in a raster manner at nanometer intervals, the spatial distributions of lamellar crystals and inner molecular chains were successfully revealed on a nanometer scale without the use of electron staining or any pretreatment.

Free Research Field

高分子の構造と物性

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

4D-STEM法では回折図形に基づき再構成した暗視野像（結晶の形態の情報）と個々の回折図形（分子鎖の配向の情報）の両者を効果的に組み合わせて用いることが可能であり、ナノスケールの局所構造の詳細な実験的知見を直接的に得ることができる。今後、ナノスケールで計測と計算とを融合させることで、ラメラ晶の分岐やねじれのメカニズムといった、高分子結晶の成長機構を理解する上で不可欠な諸問題の解明が期待される。また、ミクロな構造とマクロな物性の関係の解明により、結晶性高分子を構成要素とする広範な材料の物性・機能の開拓も期待される。