刘庚鑫:巨型分子的黏弹性研究进展
发布人:任振夏  发布时间:2020-07-14   

50年前,de Gennes指出缠结(Entangled)线形高分子的运动可以抽象为蛇形运动(Reptation),即:高分子链受限于由其周围链所形成的一维管子而作一维运动。这种解读抓住了线形高分子的核心动力学特征。也正因此,高分子动力学与链的拓扑结构密切相关,比如研究人员广泛研究了星形、支化等拓扑结构对高分子动力学的影响。自然而然地,研究人员会提出如下疑问:偏离一维链状结构的最极端情况,即三维团簇状高分子,会表现出何种动力学行为?

刘庚鑫课题组尝试回答了上述问题。首先介绍了线性流变学中黏弹性分析的方法和实验结果在动力学上的意义。接着总结了具有三维形状的模型体系—胶体的动力学行为和理论基础,尤其是软球胶体的研究现状以及从高分子动力学角度的不足。实验研究则以巨型分子(Giant molecules)为模型样品。相比于传统高分子,巨型分子以结构更具刚性的分子纳米粒子(如多面体齐聚倍半硅氧烷,POSS)为构建基元(Zhang W.B., Cheng S.Z.D., et al.Macromolecules, 2014, 47(4):1221-1239),因而更容易保持三维形状。

近年来的实验发现,超过临界直径(~5 nm)的巨型分子在本体条件表现出持续的储能模量平台而不能松弛,表明体系存在受限动力学特征。临界直径对应着约20个POSS由柔性短链相连组成的三维软团簇,并可能与玻璃化转变的微观解释存在着联系。作者进一步提出猜想,超过临界直径的软团簇处于协同玻璃态,因而不能松弛。三维团簇状高分子在动力学上不能用缠结作用描述,这些新规律可能指导新材料的设计,但还需要更多的研究投入。

图1:温度扫描下的线性黏弹性,OPOSS24和OPOSS16的分子模型


上述总结和展望以题为“巨型分子的黏弹性研究进展”的特约专论形式发表在《高分子学报》2020年第7(高分子学报, 2020, 51(7): 687 - 697),通讯作者是东华大学先进低维材料中心刘庚鑫特聘研究员。该课题得到了国家自然科学基金青年基金(No. 21903013)的资助。