這種新科技，可在分子尺度上探測塑料的行為！
想想不起眼的輪胎吧，在寒冷的冬日裡坐在戶外，它像石頭一樣堅硬，但是當在賽車下旋轉時，輪胎會變得非常柔軟。對於日常材料，從玻璃到橡膠到塑料，這些行為的基本變化是由玻璃轉變溫度決定的。對於那些想要製造新型材料的工程師來說，比如耐高溫塑料或者柔性玻璃，過渡溫度是至關重要。然而，人們對它還沒有很好的理解，尤其是在物質分子結構塊的水平上——納米級，只有十億分之一米大小。在這個微小的領域，工程師需要以前所未有的精度控制過渡溫度，以創造具有改變遊戲性質的先進材料。
博科園-科學科普：這項工作是戴恩·克里斯蒂(Dane Christie)在普林斯頓大學(Princeton)攻讀化學和生物工程研究生期間的重點。克里斯蒂現在是康寧公司(Corning Inc.)的一名材料科學家，在他的博士論文中，他率先開發了一種工具，在納米尺度上探測過渡溫度。尤金?希金斯(Eugene Higgins)化學與生物工程教授理查德?Register和化學與生物工程副教授羅德尼?普里斯特利(Rodney Priestley)在克里斯蒂的項目中擔任共同顧問。這兩位普林斯頓大學的教授與克里斯蒂共同撰寫了兩篇論文，分別描述了該工具及其早期發現。
這兩篇論文分別發表在《ACS中心科學》(ACS Central Science)和《物理評論快報》(Physical Review Letters)上。這種新工具測量由兩種塑料或聚合物組成的物質轉變溫度。這兩種聚合物不能均勻地混合在一起，而是形成富含其中一種或另一種聚合物的區域。這些區域的過渡溫度往往與母體聚合物的正常溫度不匹配，給納米材料的設計、製造和部署帶來了問題。由於這兩種聚合物不容易混合，所以在很小的區域內，每一種組分聚合物的濃度往往相差很大。因此，為了了解聚合物混合物中不同的轉變溫度，科學家需要在小尺度上精確地測量多個點的濃度。
普林斯頓大學研究人員，包括博士生戴恩·克里斯蒂(Dane Christie)，現在是康寧公司的材料科學家，已經開發出一種在分子尺度上檢測聚合物的工具。圖片：Corning Inc
普林斯頓大學的工具通過在每個聚合物中添加熒光報告「標籤」來選擇分子來實現這一點。標籤亮度取決於它們所在的分子區域是玻璃狀還是橡膠狀。通過這種方式，該工具揭示了局部轉變溫度，提供了對影響這一至關重要的材料行為決定因素深入了解。Register說：長期以來，人們一直在尋找這種空間解析度的信息，但沒有人知道解決這個問題的方法，因為我們沒有能夠在納米尺度上測量過渡溫度的機械探測器。現在我們已經演示了這種方法，我們和該領域的其他人可以利用它或在此基礎上研究其他複雜的聚合物系統。
Register和Priestley提出了克里斯蒂論文項目的總體構想，這是普林斯頓複雜材料中心跨學科研究小組提案的一部分，Priestley是該中心的副主任。在初步確定了他們想讓他研究的聚合物體系後，克里斯蒂開始著手研究。他在實驗室中創造了各種聚合物，對它們的分子結構進行了表徵，並進行了熒光測量。克里斯蒂說：我合成了大量的聚合物，為了完成這項研究，我必須合成了60多種獨特的聚合物結構。Christie在Register實驗室進行聚合物合成工作，在Priestley的實驗室進行材料表徵。
在整個項目中，Register和Priestley通過一對一和小組會議的方式，密切地為Christie提供建議，在他的研究工作開始對納米結構聚合物化學提供重要見解時，合作指導他。Register說：我們每個人都將知識和優勢帶到合作中，嵌段共聚物合成和表徵方面的礦，熒光測量和玻璃化轉變方面的棒。該模型系統由PMMA和PBMA兩種聚合物組成。前者是一種丙烯酸玻璃，商標為有機玻璃，而後者用於油漆和心血管支架。研究人員之所以選擇這些特殊的聚合物，是因為它們的轉變溫度存在巨大差異：PMMA的轉變溫度為105攝氏度(221華氏度)，PBMA的轉變溫度為20攝氏度(68華氏度)。
這個大的分界使得躍遷溫度擾動更容易觀察和量化。此外，這兩種物質的化學組成使得具有感光分子的特殊聚合物單元可以放置在物質鏈狀結構中的任意位置。這種有針對性的方法使克里斯蒂能夠對混合聚合物內部的轉變溫度進行熒光測量報告。當藉助於計算模型進行分析時，測量結果揭示了兩種聚合物相互作用的內部機理。正如ACS中心科學論文中所示，每個聚合物的單個分子在其轉變溫度中不僅受到其不同的局部濃度的影響，還受到它們與不同濃度區域的鄰近性和化學鍵連接的影響。
《物理評論快報》的論文進一步完善了這一點。在後續的研究中，Christie將熒游標簽掛在遠離兩個分子區域界面的聚合物鏈上，測試了近度與實際連接的影響。研究表明，後一種附著機制對過渡溫度的影響更為顯著。明尼蘇達大學(University of Minnesota)化學工程與材料科學教授蒂莫西·洛奇(Timothy Lodge)在美國化學學會(ACS)《中心科學》(central science)上發表的一篇評論文章中寫道：
玻璃化轉變對基礎理論具有抵抗性，在實驗中定義也不明確，但在許多過程和應用中都處於核心地位，它代表著聚合物科學中一個持久的挑戰。通過先進的合成技術和精確的實驗，克里斯蒂、Register和普里斯特利報告了第一次直接測量轉變溫度作為納米結構聚合物材料內部位置的函數。這項研究工作為更廣泛的進一步研究打開了大門。這樣的研究可以集中在更好地理解和改進常見的填充聚合物，比如組成橡膠輪胎的聚合物。
其他前進的道路包括設計基於納米複合材料的有前途的新材料，這些材料可能對應力表現出極端的靈活性或彈性。其他應用還包括設計用於燃料電池、先進電池和水處理的人工膜。雖然系統使用了特定的標籤和聚合化學，但一般的方法並不僅限於此，開發並成功實施的方法現在可以應用於具有實際意義的複雜聚合物體系。
博科園-科學科普｜研究/來自: 普林斯頓大學/Adam Hadhazy
參考期刊文獻:《物理評論快報》
DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.247801
博科園-傳遞宇宙科學之美
TAG:博科園 |