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科研團隊在表面高分子鏈微觀動力學(xué)機制上取得重要研究成果

2021-08-24 13:27:47 來源：中國科學(xué)報

8月18日，《自然》撰文發(fā)表了來自浙江理工大學(xué)、美國普林斯頓大學(xué)、美國南佛羅里達大學(xué)和日本九州大學(xué)的科研團隊在表面高分子鏈微觀動力學(xué)機制上取得的重要研究成果。

表面是材料的邊界，是與鄰相間的過渡區(qū)域。表面分子受到來自材料內(nèi)部和鄰近相分子的相互作用，處于不對稱的環(huán)境中，具有顯著區(qū)別于內(nèi)部分子的熱力學(xué)狀態(tài)和動力學(xué)行為。

界面分子行為不易測量、難以預(yù)測，是化學(xué)、物理和材料領(lǐng)域的研究難點。現(xiàn)代量子化學(xué)奠基人、諾貝爾獎得主Wolfgang Pauli曾說過：“上帝創(chuàng)造了固體，魔鬼發(fā)明了表面”，直指固體表面分子行為的復(fù)雜性。

如何在微觀層面測量界面現(xiàn)象，也被列入世界前沿125個科學(xué)問題名單。一個世紀以來，大量的理論和實驗手段被發(fā)展出來研究材料表面，以揭示表面復(fù)雜分子行為的本質(zhì)。

高分子材料由相對分子質(zhì)量高達幾千到幾百萬的高分子化合物形成，是固體物質(zhì)中的重要成員。最常見的高分子呈線形，具有鏈式結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出比小分子更復(fù)雜的微觀運動行為，具有多尺度和寬時域等特征。

長期以來，由于表征的困難，對固體高分子表面分子松弛與擴散的研究一直面臨重大挑戰(zhàn)，未獲突破性進展。表面如何改變高分子鏈的運動行為、表面高分子鏈是否遵循經(jīng)典高分子動力學(xué)理論？這些問題都亟待解決。

針對表面高分子動力學(xué)這一重要科學(xué)問題，浙江理工大學(xué)高分子表界面研究團隊發(fā)展了一種聚合物表面納米蠕變測量方法，實現(xiàn)聚合物表面多尺度分子運動的表征，從而促進了界面高分子動態(tài)過程的研究和相關(guān)新機理的發(fā)展。

利用這一方法，科研團隊結(jié)合模擬和理論，研究了玻璃態(tài)高分子表面分子運動行為，發(fā)現(xiàn)了控制表面高分子鏈擴散的“偽纏結(jié)”機制和表面“瞬時橡膠態(tài)”高分子物理新現(xiàn)象。

由于表面分子間作用力減弱，表面分子具有比體相分子更強的運動活性。表面分子（鏈段）的運動能力隨距離表面深度增加而逐漸減弱，造成表面高分子鏈處于動力學(xué)不均勻的環(huán)境中，部分鏈段位于高運動活性的外表面區(qū)域，而一些鏈段被限制在弛豫緩慢的玻璃態(tài)本體。因此，表面高分子鏈需要通過“逐步松弛”來實現(xiàn)擴散。

由于不同尺度分子松弛機制的差異改變了表面高分子黏彈性，使得低溫下纏結(jié)高分子體系表面分子的橡膠平臺區(qū)域增長，也造成非纏結(jié)聚合物表面分子出現(xiàn)短暫的橡膠彈性態(tài)，即“瞬時橡膠態(tài)”，表現(xiàn)出類似拓撲纏結(jié)對高分子黏彈性影響的效果，故稱為“偽纏結(jié)”。此外，科研團隊還發(fā)現(xiàn)表面分子動力學(xué)失耦和時—溫等效原則失效等顯著區(qū)別于本體分子的動力學(xué)行為。

“‘偽纏結(jié)’機制的提出和‘表面瞬時橡膠態(tài)’的發(fā)現(xiàn)，加深了我們對材料磨損、摩擦、粘結(jié)、自愈合等界面現(xiàn)象本質(zhì)的理解，為高分子材料加工、成型和性能控制提供了新思路。”論文通訊作者、浙江理工大學(xué)副教授左彪指出，表面高分子獨特動力學(xué)行為還將激發(fā)大量實驗和理論工作，聚焦這一問題的研究，發(fā)展描述界面高分子動力學(xué)的新理論，豐富高分子科學(xué)內(nèi)涵，推動物質(zhì)科學(xué)發(fā)展。

標簽：科研團隊高分子鏈研究成果微觀層面