塑料，橡膠和許多其他有用的材料都是由聚合物——即長(zhǎng)鏈布置在交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中制成的。在分子水平上，這些聚合物網(wǎng)絡(luò)包含削弱它們的結(jié)構(gòu)缺陷。

    幾年前，麻省理工學(xué)院的研究人員首先對(duì)某些類型的這類缺陷進(jìn)行了測(cè)量，這類缺陷稱為“環(huán)路”，是當(dāng)聚合物網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)鏈與自身而不是另一個(gè)鏈結(jié)合時(shí)引起的。現(xiàn)在，研究人員已經(jīng)找到了一種減少聚合物網(wǎng)絡(luò)中環(huán)路數(shù)量的簡(jiǎn)單方法，從而增強(qiáng)了由聚合物制成的材料。

    為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，研究人員將聚合物網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)組分緩慢的添加到大量的第二組分中。使用這種方法，他們能夠形成多種不同的聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，同時(shí)可將環(huán)路數(shù)量減少一半。這可以為工業(yè)上有用的材料，如塑料或凝膠的制造商提供一種簡(jiǎn)單的方法來(lái)增強(qiáng)其產(chǎn)品。

    Firmenich職業(yè)發(fā)展副研究員麻省理工學(xué)院化學(xué)系副教授Jeremiah A. Johnson表示，“只要改變你將一個(gè)組分添加到另一個(gè)組分的速度，你就可以改善聚合物的力學(xué)性能。”

    麻省理工學(xué)院研究生Yuwei Gu是本文的第一作者，論文發(fā)表在4月24日所在當(dāng)周的國(guó)家科學(xué)院院刊上。

    其他作者包括麻省理工學(xué)院化學(xué)工程副教授Bradley Olsen；麻省理工學(xué)院研究生Ken Kawamoto；前麻省理工學(xué)院博士后Mingjiang Zhong和Mao Chen；凱斯西儲(chǔ)大學(xué)助理教授Michael Hore；Case Western Reserve研究生Alex Jordan和前麻省理工學(xué)院客座教授、Case Western Reserve副教授LaShanda Korley。

    控制“環(huán)路”

    2012年，約翰遜的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了第一種測(cè)量聚合物網(wǎng)絡(luò)中環(huán)路數(shù)量的方法，并通過(guò)奧爾森的理論預(yù)測(cè)驗(yàn)證了這些結(jié)果。研究人員發(fā)現(xiàn)，根據(jù)起始物料中的聚合物鏈的濃度和其他因素，環(huán)路可以在聚合物網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中占比約9%-100%。

    幾年后，約翰遜和奧爾森開發(fā)了一種計(jì)算這些環(huán)路可以削弱材料多少力學(xué)性能的方法。在最新的工作中，他們著力在不改變材料組成的情況下，實(shí)現(xiàn)減少環(huán)路形成。

    “我們?yōu)樽约涸O(shè)定的目標(biāo)是，在不改變材料中通常使用的前軀體的情況下，在相同的條件和相同的濃度下，使用完全相同的前軀體制備具有更少環(huán)路的材料。”約翰遜表示。

    在這片論文中，研究人員首先重點(diǎn)關(guān)注了一種稱為星形聚合物網(wǎng)絡(luò)的聚合物結(jié)構(gòu)。這種材料有兩個(gè)不同的結(jié)構(gòu)組分：一個(gè)具有四個(gè)相同的短臂的星形結(jié)構(gòu)，被稱為“B4”，另一種則稱為“A2”。A2的每個(gè)分子會(huì)與B4的其中一個(gè)短臂的末端相連。然而，在常見的合成過(guò)程中，當(dāng)所有的組分都被立即混合在一起時(shí)，一些A2鏈會(huì)最終會(huì)結(jié)合到兩個(gè)B4臂中，形成一個(gè)環(huán)路。

    研究人員發(fā)現(xiàn)，如果將B4緩慢添加到A2的溶液中，則B4中的每一個(gè)短臂將與單個(gè)A2分子快速反應(yīng)，因此A2的形成環(huán)路的機(jī)會(huì)較少。

    在緩慢加入一半的B4溶液幾個(gè)小時(shí)后，他們一次性加入了剩下的一半溶液，星形結(jié)構(gòu)連接在一起形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。研究人員發(fā)現(xiàn)，這種材料與使用傳統(tǒng)合成工藝生產(chǎn)的相同材料相比，環(huán)路減少了將近一半。

    約翰遜表示，根據(jù)材料中有多少環(huán)路，這種“先慢后快”的工藝策略可以將材料的強(qiáng)度提高高達(dá)600％。

    更好的產(chǎn)品

    研究人員還嘗試了采用這種合成方法與四種其他類型的聚合物網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行合成反應(yīng)。他們雖然無(wú)法測(cè)量所有這些類型的聚合物內(nèi)部的環(huán)路數(shù)量，但是它們?cè)诓牧系膹?qiáng)度方面也發(fā)現(xiàn)了類似的改進(jìn)。

    這種方法有潛力提高由凝膠或其他交聯(lián)聚合物制成的任何材料的強(qiáng)度，包括塑料，水凈化膜，環(huán)氧樹脂粘合劑或水凝膠如隱形眼鏡等。

    約翰遜實(shí)驗(yàn)室目前正在將這種制造方法應(yīng)用于各種材料中，包括用于生長(zhǎng)組織工程細(xì)胞的凝膠中。

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責(zé)任編輯：劉洋

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