The understanding of the basic physical relationships between nano-scale structural variables and the macroscale properties of polymer nanocomposites remains in its infancy. The primary objective of this article is to ascertain the state of the art regarding the understanding and prediction of the macroscale properties of polymers reinforced with nanometer-sized solid inclusions over a wide temperature range. We emphasize that the addition of nanoparticles with large specific surface area to polymer matrices leads to amplification of a number of rather distinct molecular processes resulting from interactions between chains and solid surfaces. This results in a “non-classical” response of these systems to mechanical and electro-optical excitations when measured on the macroscale. For example, nanoparticles are expected to be particularly effective at modifying the intrinsic nano-scale dynamic heterogeneity of polymeric glass-formation and, correspondingly, recent simulations indicate that both the strength of particle interaction with the polymer matrix and the particle concentration can substantially influence the dynamic fragility of polymer glass-formation, a measure of the strength of the temperature dependence of the viscosity or structural relaxation time. Another basic characteristic of nanoparticles in polymer matrices is the tendency for the particles to associate into extended structures that can dominate the rheological, viscoelastic and mechanical properties of the nanocomposite so that thermodynamic factors that effect nanoparticle dispersion can be crucially important. Opportunities to exploit knowledge gained from understanding biomechanics of hierarchical biological protein materials and potential applications in materials design and nanotechnology are among future research challenges. Research on nanocomposites formed from block copolymers and nanoparticles offers huge promise in molecular electronics and photovoltaics. The surface functionalization of nanoparticles by the grafting of polymer brushes is expected to play important role in the designing of novel organic/inorganic nanocomposite materials. The formation of bulk heterojunctions at the nanometer scale leads to efficient dissociation of the charge pairs generated under sunlight. Based on the presentations and discussion, we make recommendations for future work in this area by the physics, chemistry, and engineering communities.

A recurring challenge in the field of nanocomposites is to control the spatial distribution of nanoparticles (NPs) in a polymer matrix. This issue is of critical importance since it is now well-established that a specific NP dispersion state is necessary to optimize a desired property of polymer nanocomposites (PNCs). This Perspective focuses on one particular approach to controlling NP spatial dispersion, and hence the properties of polymer-based nanocomposites: the use of polymer-grafted NPs. Novel developments over the past decade in synthesis techniques allow us to controllably functionalize NPs with polymer chains. This has ignited considerable interest in this field, leading to significant advances in creating nanocomposites with tunable physical properties. We begin by briefly outlining the various synthetic strategies for functionalizing NPs and then discuss various methods for controllably dispersing them in a polymer matrix. The consequences of having states with controlled NP dispersion on nanocomposite properties, primarily the mechanical and optical properties, will then be discussed. In every section of this Perspective, we have an explicit discussion of unresolved issues and critical questions which need to be addressed for continuing progress, especially as it relates to current and potential applications of this class of materials.

The field of polymer nanocomposites has been at the forefront of research in the polymer community for the past few decades. Foundational work published in Macromolecules during this time has emphasized the physics and chemistry of the inclusion of nanofillers; remarkable early developments suggested that these materials would create a revolution in the plastics industry. After 25 years of innovative and groundbreaking research, PNCs have enabled many niche solutions. To complement the extensive literature currently available, we focus this Perspective on four case studies of PNCs applications: (i) filled rubbers, (ii) continuous fiber reinforced thermoset composites, (iii) membranes for gas separations, and (iv) dielectrics for capacitors and insulation. After presenting synthetic developments we discuss the application of polymer nanocomposites to each of these topic areas; successes will be noted, and we will finish each section by highlighting the various technological bottlenecks that need to be overcome to take these materials to full-scale practical application. By considering past successes and failures, we will emphasize the critical fundamental science needed to further expand the practical relevance of these materials.

An alternate thermodynamic formalism is developed to correlate the solubility of a non-volatile solute in a supercritical fluid (SCF) as a function of the density of the fluid phase. We show that this solubility varies approximately in a linear fashion with the solvent density when examined in either log-log or log-linear coordinates, depending on the system in consideration. The slope of this plot is related to the solvent isothermal compressibility and the partial molar volume of the solute present at infinite dilution in the SCF phase. From literature solubility data, we obtain estimates for the partial molar volumes for some infinitely dilute mixtures of solutes in SCF which are in agreement with independently measured experimental values.

Polymer properties, such as their mechanical strength, barrier properties, and dielectric response, can be dramatically improved by the addition of nanoparticles. This improvement is thought to be because the surface area per unit mass of particles increases with decreasing particle size, R, as 1/R. This favorable effect has to be reconciled with the expectation that at small enough R the nanoparticles must behave akin to a solvent and cause a deterioration of properties. How does this transition in behavior from large solutes to the solvent limit occur? We conjecture that for small enough particles the layer of polymer affected by the particles ("bound" polymer layer) must be much smaller than that for large particles: the favorable effect of increasing particle surface area can thus be overcome and lead to the small solvent limit with unfavorable mechanical properties, for example. To substantiate this picture requires that we measure and compare the "bound polymer layer" formed on nanoparticles with those near large particles with equivalent chemistry. We have implemented a novel strategy to obtain uniform nanoparticle dispersion in polymers, a problem for many previous works. Then, by combining theory and a suite of experimental techniques, including differential scanning calorimetry and positron annihilation lifetime spectroscopy, we show that the immobilized poly(2-vinylpyridine) layer near 15 nm diameter silica particles (∼1 nm) is considerably thinner than that at flat silica surfaces (∼4 to 5 nm), which is the limit of an infinitely large particle. We have also determined that the changes in the polymer's glass-transition temperature due to the presence of this strongly interacting surface are very small in both well-dispersed nanocomposites and thin films (<100 nm). Similarly, the polymer's fragility, as determined by dielectric spectroscopy, is also found to be little affected in the nanocomposites relative to the pure polymer. While a systematic study of the dependence of the bound polymer layer thickness on particle size remains an outstanding challenge, this first study provides conclusive evidence for the hypothesis that the bound polymer layer can be significantly smaller around nanoparticles than at chemically similar flat surfaces.

We examine the structure of densely grafted polymer layers grown from the surfaces of spherical nanoparticles over a broad range of graft densities and chain lengths. Dynamic light scattering (DLS) experiments show that the hydrodynamic thickness of the polymer layer, h, scales as h ∝ N4/5 for short chains and high grafting densities, that is, in the concentrated polymer brush (CPB) regime, whereas h ∝ N3/5 for long enough chains (semidilute polymer brush, SDPB). The mean field theory of Wijmans and Zhulina is able to collapse approximately all of our data and those in the existing literature (even on other polymers) into an apparently universal form. From these findings, we conclude that the result h ∝ N4/5 for the CPB is an intermediate crossover scaling, relevant to particles of finite curvature, analogous to the h ∝ N observed for concentrated flat brushes. Second, the scaling h ∝ N3/5 uniquely reflects the increased space available to the chain segments as one proceeds away from a curved grafting surface. Under these situations, the chains experience less packing frustration as compared to a planar brush, and the semidilute polymer brush shows scaling behavior analogous to chains in good solvent, even though the chains are much more extended.