8月25日,《科技日报》、科技金融网报道我校左彪副教授团队研究成果《Nature》正刊在线刊发。
原文如下:
科技日报:刷新认知 高分子塑料表面原来呈橡胶状

科技日报杭州8月24日电 (洪恒飞 石丛珊 记者江耘)记者24日从浙江理工大学获悉,该校左彪副教授团队联合美国、日本学者,通过研究表面高分子运动机制,发现硬而脆的高分子塑料表面原来呈现类橡胶的力学行为。这一新发现加深了学界对高分子材料磨损、摩擦、黏结、自愈合等诸多界面现象本质的理解。研究论文近日发表于《Nature》。
高分子材料应用广泛,我国高分子塑料制品年产量已达7000万吨。高分子材料表现出许多奇异界面现象,例如黏—滑摩擦行为、低温塑性和可黏合性等,从而对其使用效果产生影响。实现对高分子界面现象分子起源的认识和有效控制,对于发展高性能高分子材料具有重要价值。
科学界已经发现高分子表面分子具有很高的运动能力,然而高分子塑料表面分子的运动状态和力学行为仍然是一个谜。针对这一问题,论文通讯作者左彪联合国际学者发展了一种利用微液滴诱导高分子膜表面发生纳米尺度变形,从而研究高分子材料表面纳米蠕变的方法,由此建立了松弛时间跨度达6—8个数量级的宽时域、多尺度表面高分子动力学的表征新方法,一举解决了塑料高分子表面动力学表征的难题。
结合理论和模拟深入研究,研究人员最终发现了控制表面高分子链扩散的“伪缠结”机制和表面“瞬时橡胶态”高分子物理新现象,即硬、脆的高分子塑料表面呈现出类似柔性橡胶的性质。
常规的认知下,塑料表面是很硬、不会变形的。“从该研究结果来看,塑料表面其实存在几十个原子层厚度的一层柔软橡胶层。这样一来,很多原来看到的高分子相关的界面现象就可以得到合理的解释。”左彪认为,这项研究结果深化了人们对固体高分子表面分子动力学和机械力学的认识,是界面科学和高分子科学一次重要学术突破,可为高分子材料界面性质调控及其加工、成型和性能控制提供新思路。
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科技金融网:浙江理工大学左彪论文《Nature》正刊在线刊发
来源:科技金融时报 作者:石丛姗
8月18日,浙江理工大学左彪、王新平,美国普林斯顿大学Rodney Priestley,美国南佛罗里达大学David Simmons和日本九州大学Keiji Tanaka合作,以浙江理工大学为第一署名单位撰写的论文在《Nature》正刊发表。左彪为论文通讯作者,Priestley和Simmons为共同通讯作者;浙江理工大学硕士生郝治伟为第一作者,发表了在表面高分子链微观动力学机制上取得的重要研究成果。该成果是浙江理工大学在自然科学领域的重大科研突破。

论文信息
该研究在表面高分子链微观动力学机制上取得了创新成果。表面是材料的边界,是与邻相间的过渡区域。表面分子受到来自材料内部和邻近相分子的相互作用,处于不对称的环境中,具有显著区别于内部分子的热力学状态和动力学行为。界面分子行为不易测量、难以预测,是化学、物理和材料领域的研究难点。现代量子化学奠基人、诺贝尔奖得主Wolfgang Pauli曾著文“上帝创造了固体,魔鬼发明了表面”,指出了固体表面分子行为的复杂性。“如何在微观层面测量界面现象”,被列入世界前沿125个科学问题名单。一个世纪以来,大量的理论和实验手段被发展出来研究材料表面,揭示表面复杂分子行为的本质。

液滴表面张力诱导聚合物表面发生形变的示意图
高分子材料由相对分子质量高达几千到几百万的高分子化合物形成,是固体物质中的重要成员。最常见的高分子呈线形,具有链式结构,表现出比小分子更复杂的微观运动行为,具有多尺度和宽时域等特征。长期以来,由于表征的困难,对固体高分子表面分子松弛与扩散的研究一直面临重大挑战,未获突破性进展。
表面如何改变高分子链的运动行为;表面高分子链是否遵循经典高分子动力学理论?这些问题都亟待解决。解决这些问题、建立描述表面高分子动力学的模型,将极大提升我们对高分子界面行为的认识水平,加深对材料摩擦、润滑、浸润、粘结、吸附等界面现象的理解。同时,界面高分子动力学新现象和新机制的发现,将为高分子材料加工、制备、结构设计和性能应用提供重要指导,助力高分子产业的创新发展。
针对表面高分子动力学这一重要科学问题,浙江理工大学高分子表界面研究团队发展了一种聚合物表面纳米蠕变测量方法,实现了聚合物表面多尺度分子运动的表征,从而促进了界面高分子动态过程的研究和相关新机理的发展。利用这一方法,结合模拟和理论,研究了玻璃态高分子表面分子运动行为,发现了控制表面高分子链扩散的“伪缠结”机制和表面“瞬时橡胶态”高分子物理新现象。该研究结果深化了对固体高分子表面动力学的认识,是界面科学和高分子科学一次具有重要学术意义的研究突破。
“伪缠结”机制的提出和“表面瞬时橡胶态”的发现,加深了人们对材料磨损、摩擦、粘结、自愈合等界面现象本质的理解,为高分子材料加工、成型和性能控制提供了新思路。表面高分子独特动力学行为还将激发大量实验和理论工作。聚焦这一问题的研究,发展描述界面高分子动力学的新理论,丰富高分子科学内涵,推动物质科学发展。