机械载体:对聚合物晶体生长过程的前所未有的认识

结晶诱导的机械荧光

由四芳基琥珀腈产生的自由基的荧光使结晶过程可见。结晶诱导的荧光显微镜观察使应力位置的精确识别和深入澄清聚合物结晶过程。信贷:东京科技

在现代,制造商生产用于广泛用途的高度专业化的材料,称为聚合物。聚合物由于其多用途的特性,有多种用途,从用于建筑,由于其高拉伸强度和耐制造塑料袋,需要更轻的,灵活的材料,如尼龙或聚乙烯。

不同聚合物的性质之间的这些差异源于其内部结构。聚合物由较小的子单元的长链组成,称为“单体”。当结晶聚合物熔化时发生结晶,然后缓慢冷却,使得链使得将自己组织成整齐地布置的板。

根据结晶的程度和位置,这个过程可以为聚合物提供有价值的特性,包括弹性、导热性和强度。然而,如果控制不当,结晶也会削弱材料,给聚合物链施加不适当的应力。当聚合物处于极端条件下,如冰冻温度或高压时,这个问题尤其严重。

为了保证最佳性能,我们需要预测给定的聚合物对机械应力的反应,以及结晶在多大程度上有助于这种反应。然而,科学家们对结晶过程中起作用的复杂力知之甚少,因为他们从未能够在不破坏材料的情况下直接观察它们或准确地测量它们。

基于由东京技术教授的Hideyuki Otsuka领导的研究组最近的高分子科学进展,一直在努力实时可视化聚合物结晶的方法。在最近发表的一项研究中自然通信他们使用了嵌入在聚合物结构中的高活性分子,称为自由基型“机械载体”。自由基型机械载体对机械应力敏感,容易分解为两种等价的自由基,它们可以作为一种探针,了解何时和如何施加应力。在这种情况下,为了检查结晶过程中发挥作用的机械力,他们使用了一种名为“TASN”的激进型机械载体,当受到机械应力时,它会分解并发出荧光。

该团队已经使用过类似的分子,表明它们可用于可视化和评估聚合物材料内的机械应力程度。在目前的研究中,它们使用类似的方法来观察聚合物的结晶。当形成的晶体时,机械力使得其结构中的机械化使得具有特征黄色荧光的较小,粉红色的自由基,使研究人员能够直接观察该过程。因为荧光显示出高的可视性,研究人员能够测量发射的荧光波长以确定结晶的精确率,以及即使在聚合物材料内的三维中也​​可以和位置。

ototuka教授解释了这种发现的重要性,“聚合物结晶的直接可视化就会对晶体生长过程提供前所未有的洞察。”实际上,该方法使制造商能够在结晶期间测试聚合物材料以进行特定的机械性能。研究人员认为,他们的研究将通过控制结晶过程来获得聚合物材料的工业优化,以获得所需的性能。最终,Otsuka教授的结论是,这可能“导致先进的高分子材料设计指南”。

参考:“结晶诱导机械荧光的聚合物结晶可视化”,作者Sota Kato, Furukawa Shigeki, Daisuke Aoki, Raita Goseki, Kazusato Oikawa, kouchike Tsuchiya, Naohiko Shimada,丸山敦,Keiji Numata和Hideyuki Otsuka, 2021年1月5日,自然通信
DOI: 10.1038 / s41467 - 020 - 20366 - y

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