研究成果：科學家在表面發(fā)現“偽纏結”和“瞬時橡膠態(tài)”

8月18日，《自然》撰文發(fā)表了來自浙江理工大學、美國普林斯頓大學、美國南佛羅里達大學和日本九州大學的科研團隊在表面高分子鏈微觀動力學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)別于內部分子的熱力學狀態(tài)和動力學行為。

界面分子行為不易測量、難以預測，是化學、物理和材料領域的研究難點?，F代量子化學奠基人、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雜性。

如何在微觀層面測量界面現象，也被列入世界前沿125個科學問題名單。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，以揭示表面復雜分子行為的本質。

高分子材料由相對分子質量高達幾千到幾百萬的高分子化合物形成，是固體物質中的重要成員。最常見的高分子呈線形，具有鏈式結構，表現出比小分子更復雜的微觀運動行為，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典高分子動力學理論?這些問題都亟待解決。

針對表面高分子動力學這一重要科學問題，浙江理工大學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)過程的研究和相關新機理的發(fā)展。

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

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，也造成非纏結聚合物表面分子出現短暫的橡膠彈性態(tài)，即“瞬時橡膠態(tài)”，表現出類似拓撲纏結對高分子黏彈性影響的效果，故稱為“偽纏結”。此外，科研團隊還發(fā)現表面分子動力學失耦和時—溫等效原則失效等顯著區(qū)別于本體分子的動力學行為。

“‘偽纏結’機制的提出和‘表面瞬時橡膠態(tài)’的發(fā)現，加深了我們對材料磨損、摩擦、粘結、自愈合等界面現象本質的理解，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、浙江理工大學副教授左彪指出，表面高分子獨特動力學行為還將激發(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的新理論，豐富高分子科學內涵，推動物質科學發(fā)展。(沈春蕾)

關鍵詞： 研究成果 科學家 偽纏結 瞬時橡膠態(tài)