UVA主导的发现挑战了缔合聚合物研究中30年的教条

弗吉尼亚大学领导的一项关于一类称为缔合聚合物的材料的研究似乎挑战了长期以来对这些具有独特的自愈和流动特性的材料如何在分子水平上发挥作用的理解。

领导这项研究的 UVA 材料科学与工程和化学工程助理教授 Liheng Cai 表示，这一新发现对这些材料每天使用的无数方式具有重要意义，从工程可回收塑料到人体组织工程再到控制油漆的稠度，所以它不会滴落。

这一发现已发表在《物理评论快报》杂志上，是由他的博士后研究员年世峰和博士在 UVA 工程与应用科学学院蔡的实验室开发的新型缔合聚合物促成的。学生 Myoeum Kim。这一突破源于蔡在 2018 年到达 UVA 之前共同开发的理论。

“Shifeng 和 Myoeum 基本上创建了一个新颖的实验平台，以以前不可能的方式研究缔合聚合物的动力学，”Cai 说。

“这为我们提供了关于聚合物行为的新视角，并提供了机会来提高我们对聚合物科学中特别具有挑战性的研究领域的理解。从技术的角度来看，这项研究有助于开发具有定制特性的自修复材料。”

聚合物是由重复单元或单体组成的大分子。通过重新排列或组合这些单元并修改它们的键，科学家们可以设计出具有特定特性的聚合物材料。

聚合物还可以根据温度或力等因素改变状态，从坚硬和刚性(如玻璃)变为橡胶状甚至流体 - 例如，将固体凝胶推过皮下注射针头。

缔合聚合物尤其与众不同：它们的基团——具有可定制物理特性的分子亚基的总称——通过可逆键结合在一起，这意味着它们可以分裂和重新形成。

该过程可实现传统聚合物无法达到的宏观特性。因此，缔合聚合物为可持续发展和健康方面的一些最紧迫的挑战提供了解决方案。例如，缔合聚合物被用作燃料中的粘度调节剂，用于制造坚韧的自修复聚合物，以及设计具有对组织工程和再生至关重要的物理特性的生物材料。

UVA 团队工作的一个关键是克服多年来困扰研究人员的材料特性。在实验室中，科学家们使用的材料的化学键可以在“实验室时间尺度”内断裂和重新形成，这意味着在他们可以通过实验观察的时间范围内。然而，在几乎所有现有的实验系统中，这些部分聚集成小簇，这阻碍了对可逆键与聚合物行为之间关系的精确研究。

蔡的团队开发了新型缔合聚合物，其中的键在整个材料中均匀分布，并且密度范围很广。为了确认他们的材料不会形成团簇，研究人员与能源部布鲁克海文国家实验室的科学家 Mikhail Zhernenkov 合作。他们在国家同步加速器光源 II上使用复杂的 X 射线工具(软物质界面光束线)进行了实验，以揭示聚合物的内部构成而不损坏样品。

这些新的缔合聚合物使蔡的团队能够精确研究可逆相互作用对缔合聚合物动力学的影响。

动力学和行为指的是诸如分子运动减慢到刚性“玻璃态”状态的温度、粘度(材料流动的自由程度)和弹性(变形后快速恢复的能力)等特征。通常需要结合这些特性来设计，例如，与人体组织相容的生物材料，这种材料可以在注射后自行重建。

30 年来，人们一直认为，当可逆键保持完整时，它们会充当交联剂，从而形成橡胶状材料。但这不是 UVA 领导的团队发现的。

该团队与密歇根州立大学化学工程与材料科学系助理教授、流动动力学专家 Shiwang Cheng 合作，在很宽的时间范围内精确测量了聚合物的流动行为。

“这需要仔细控制当地环境，例如聚合物的温度和湿度，”Cheng 说。“多年来，我的实验室为此开发了一套方法和系统。”

该团队发现，这些键可以减慢聚合物运动并耗散能量，而不会形成橡胶状网络。出乎意料的是，研究表明可逆相互作用影响聚合物的玻璃质，而不是它们的粘弹性范围。

“我们的缔合聚合物提供了一个系统，可以单独研究可逆相互作用对[聚合物]运动和玻璃态行为的影响，”蔡说。“这可能会提供机会来提高对塑料等玻璃态聚合物具有挑战性的物理学的理解。”

从他们的实验中，蔡的团队还开发了一种新的分子理论来解释缔合聚合物的行为，这可能会改变人们对如何设计具有高刚度和快速自愈能力等优化特性的思考。

除了 Nian、Kim、Cheng 和 Zhernenkov 之外，Cai 还与南卡罗来纳大学的计算模拟专家兼化学与生物化学助理教授 Ting Ge 以及高分子物理与化学国家重点实验室的 Quan Chen 合作。长春应用化学研究所，提供了分析聚合物流动行为的初始代码。