30岁的教条关联聚合物研究的挑战

Virginia-led大学的一项研究对一种叫关联聚合物材料似乎颠覆了长期以来对材料,具有独特的自愈和流动特性,在分子水平上的函数。

LIHENG CAI,助理教授材料科学与工程,化学工程在UVA,领导这项研究表示,新发现有重要意义的每天无数的方式使用这些材料,从工程可回收的塑料人体组织工程控制油漆所以不滴水的一致性。

的发现已经发表在《物理评论快报》杂志上启用了新的关联聚合物在Cai开发的实验室在UVA工程和应用科学学院的三年他的博士后研究员和博士生Myoeum金姆。理论的突破发展Cai在2018年抵达UVA之前联合开发。

“三两,Myoeum本质上创造了一种新颖的实验平台研究的动态关联聚合物的方式不可能,“蔡说。

“这给了我们一个新的视角对聚合物的行为,并提供机会来改善我们的理解高分子科学的特别具有挑战性的研究领域。从技术的角度来看,这项研究有助于自我修复材料的发展与定制的属性。”

重复单位组成的大分子聚合物,或单体。通过重新排列或组合这些单位和修补他们的债券,科学家可以设计高分子材料与特定的特征。

聚合物也可以改变状态,从硬和僵化,像玻璃、橡胶甚至液体取决于温度等因素或力量——例如,通过皮下注射针推一个坚实的凝胶。

关联聚合物尤其独特的:他们的根——针对分子单元可定制的物理性质——是由可逆的债券,这意味着他们可以分解和重做。

这个过程使宏观性质无法通过传统的聚合物。因此,关联聚合物最紧迫的挑战提供解决方案的可持续性和健康。例如,联想聚合物用作燃料粘度修饰符,建立严格的自修复聚合物,工程师生物材料与物理性质组织工程和再生的关键。

UVA团队工作的关键之一是克服物质功能,阻碍了研究人员多年来。在实验室中,科学家们使用材料的债券可以打破和重新“实验时间尺度,”意思是时间框架内他们可以通过实验观察。然而,在几乎所有现有的实验系统,聚集成小半个集群,从而防止精确研究可逆的债券和聚合物之间的关系的行为。

Cai的团队开发新类型的关联聚合物的债券是均匀分布在整个材料和广泛的密度。确认他们的材料并不会形成集群,科学家研究人员与米哈伊尔·Zhernenkov美国能源部布鲁克海文国家实验室。他们进行实验使用先进的x射线工具——软物质界面beamline——在全国同步光源II揭示的内在组成聚合物不破坏样品。

这些新的关联聚合物允许Cai的团队正是研究可逆的影响相互作用的动力学关联聚合物。

动态和行为指特征温度的分子运动减慢等严格的“玻璃”状态,粘度(自由物质流)和弹性(de-formed后很快恢复的能力)。的这些特征通常是可取的设计,例如,生物材料与人体组织,可以兼容垮台之后注入。

三十年来,人们一直认为可逆债券保持不变时,他们作为交联剂,导致橡胶材料。但这不是UVA-led团队发现什么。

助理教授合作Shiwang程在密歇根州立大学的化学工程和材料科学部门和流动动力学专家团队精确测量聚合物的流动行为在一个广泛的时间尺度。

“这需要仔细控制当地环境,如温度和湿度的聚合物,”Cheng说。“这些年来,我的实验室开发了一组方法和系统。”

研究小组发现,这些债券可以减缓高分子运动和能量消散而不创建一个有弹性的网络。出乎意料的,研究表明,可逆的交互影响聚合物的玻璃品质而不是他们的粘弹性范围。

“我们的关联聚合物分别为调查提供了一个系统,允许可逆的相互作用的影响(聚合物)运动和玻璃的行为,“蔡说。“这可能提供机会来改善玻璃态聚合物的具有挑战性的物理的理解像塑料。”

从他们的实验中,Cai的研究小组还开发出一种新分子理论,解释了关联聚合物的行为,从而思考如何转变工程师用优化的特性,如高刚度和快速自愈能力。

参考:年年代,帕蒂尔年代,张年代,et al。动态关联聚合物密度高的可逆的债券。物理评论列托人。2023;130 (22):228101。doi:10.1103 / PhysRevLett.130.228101

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