研究人員發(fā)現(xiàn)了嵌段共聚物的新階段

所有物質(zhì)由一個(gè)或多個(gè)相空間區(qū)域組成，具有均勻的結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)。H2O(固體，液體和氣體)的常見相，也稱為冰，水和蒸汽，是眾所周知的。類似地，盡管不太熟悉，但聚合物材料也可形成不同的固相或液相，這決定了它們的性質(zhì)和最終效用。對(duì)于嵌段共聚物尤其如此，當(dāng)一種類型的聚合物鏈(“嵌段A”)與不同類型的聚合物鏈(“嵌段B”)化學(xué)連接時(shí)產(chǎn)生的自組裝大分子。

“如果你想要一種具有某種特性的嵌段共聚物，那么你可以選擇適合特定應(yīng)用的合適階段，”加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校工程學(xué)院材料助理教授Chris Bates解釋說。“對(duì)于鞋子中的橡膠，你需要一個(gè)階段;制作一個(gè)膜，你想要一個(gè)不同的。”

在最簡(jiǎn)單的嵌段共聚物中僅發(fā)現(xiàn)了約五相。尋找一個(gè)新階段的情況很少見，但Bates和其他加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校的研究人員包括教授Glenn Fredrickson(化學(xué)工程)和Craig Hawker(材料)，Morgan Bates，UCSB陶氏材料研究所的科技助理兼技術(shù)助理主任和博士后研究員Joshua Lequieu就是這樣做的。

他們的研究結(jié)果發(fā)表在“ 科學(xué)院院刊”上。

大約12個(gè)月前，Morgan Bates正在對(duì)她在實(shí)驗(yàn)室合成的聚合物進(jìn)行一些實(shí)驗(yàn)性研究，她說，“通過研究調(diào)整塊時(shí)會(huì)發(fā)生什么，了解控制嵌段共聚物自組裝的基本參數(shù)”?；瘜W(xué)。”

根據(jù)Chris Bates的說法，“A”和“B”塊的化學(xué)反應(yīng)無窮無盡。“現(xiàn)代合成化學(xué)使我們基本上可以選擇任何類型的A聚合物并將其與不同的B塊連接起來，”他說。“鑒于這個(gè)巨大的設(shè)計(jì)空間，真正的挑戰(zhàn)是找出最關(guān)鍵的旋鈕來轉(zhuǎn)動(dòng)控制自組裝。”

摩根貝茨試圖理解化學(xué)和結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。

“我已經(jīng)化學(xué)調(diào)整了一個(gè)與所謂'構(gòu)象不對(duì)稱'相關(guān)的參數(shù)，它描述了兩個(gè)塊如何填充空間，”她回憶起導(dǎo)致這一發(fā)現(xiàn)的過程。“我們并不一定試圖找到一個(gè)新的階段，但認(rèn)為我們可能會(huì)發(fā)現(xiàn)一些新的行為。在這種情況下，共價(jià)綁定在一起的A和B塊填充空間的方式非常不同，這似乎是潛在的這個(gè)參數(shù)引起了一些獨(dú)特的自組裝。“

在創(chuàng)建嵌段共聚物后，她將它們帶到伊利諾伊州阿貢實(shí)驗(yàn)室的高級(jí)光子源，在那里使用一種稱為“小角度X射線散射”的技術(shù)來表征它們。該過程產(chǎn)生以同心環(huán)排列的散射X射線的二維特征。環(huán)的相對(duì)位置和強(qiáng)度表示特定的相。摩根需要前往實(shí)驗(yàn)室，因?yàn)檫@個(gè)過程要求X射線比在校園生產(chǎn)的X射線更強(qiáng)大。

在那項(xiàng)工作之后，克里斯貝茨說，“利用晶體學(xué)知識(shí)，你可以解釋散射數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生一個(gè)圖像，好像你用眼睛看著結(jié)構(gòu)。在這種情況下，數(shù)據(jù)質(zhì)量如此之高，我們能夠毫不含糊地做到這一點(diǎn)。“

摩根貝茨回憶說，當(dāng)她檢查X光圖案時(shí)，有一件事是明確無誤的：“看起來不一樣。我想，'這是什么?'”

當(dāng)然，這是他們新發(fā)現(xiàn)的階段，即A15。“使用這些類型的AB嵌段共聚物，人們之前只觀察過一些階段，我們發(fā)現(xiàn)了另一個(gè)階段，從設(shè)計(jì)的角度來看，它增加了可能的選項(xiàng)，”克里斯說。

“在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類的方法中，這個(gè)階段屬于一個(gè)被稱為”四面體密集“的階段，”Lequieu補(bǔ)充道，他是計(jì)算機(jī)模擬專家，負(fù)責(zé)模擬聚合物的相行為。“我們?cè)谇抖喂簿畚镏邪l(fā)現(xiàn)的相實(shí)際上是在1931年首次用鎢的同素異形體[或形式]觀察到的。但在這種情況下，A15由金屬原子形成，在原子長(zhǎng)度范圍內(nèi)形成非常小的結(jié)構(gòu)。嵌段共聚物采用相同的結(jié)構(gòu)，但長(zhǎng)度比兩個(gè)數(shù)量級(jí)大，當(dāng)然，不涉及金屬原子。

“如果你用顯微鏡看兩者，”他繼續(xù)道，“它們的結(jié)構(gòu)看起來是一樣的，但只是尺寸不同。自然界選擇使用相同的結(jié)構(gòu)圖案來完全不同的材料，具有完全不相關(guān)的化學(xué)成分，這是非常有趣的。物理。”

該項(xiàng)目展示了加州大學(xué)圣巴巴拉分校研究人員之間合作的便利性和可行性。它始于豪客和貝茨開發(fā)的新化學(xué)，以調(diào)整材料的性質(zhì)，隨后是摩根的意外表征結(jié)果。“從那里開始，我們?nèi)チ思s什并且告訴他實(shí)驗(yàn)中有些奇怪的東西，我們沒想到，并問他為什么，”克里斯貝茨說。Lequieu隨后與Fredrickson合作開發(fā)計(jì)算機(jī)模擬。

“這個(gè)項(xiàng)目來回有一個(gè)非常好的，”Lequieu說。“完成了一項(xiàng)難以理解的實(shí)驗(yàn)，因此我們進(jìn)行了模擬來解釋它。然后Morgan做了更多的實(shí)驗(yàn)，通過初始模擬的結(jié)果，并觀察到計(jì)算實(shí)際上是預(yù)測(cè)的。實(shí)驗(yàn)觀察到的階段顯示正確模擬說它們會(huì)在哪里。但是在某些地方，實(shí)驗(yàn)和模擬不同意，所以我們多次迭代以改進(jìn)模型并真正理解所涉及的微妙之處。“

“向前邁進(jìn)，”Chris Bates補(bǔ)充道，“我們的團(tuán)隊(duì)繼續(xù)將材料合成和理論整合在一起尋找更獨(dú)特的相位行為。”

Lequieu描述了從實(shí)驗(yàn)到模擬再到理論的反饋循環(huán)，并將其作為“現(xiàn)代材料科學(xué)的夢(mèng)想”。摩根制作這些樣本需要做很多工作。如果有人在計(jì)算機(jī)上預(yù)測(cè)結(jié)果并且可以做得更容易比方說，'這是合成聚合物的一個(gè)子集應(yīng)該形成所需的結(jié)構(gòu)。' 這種所謂的“逆向設(shè)計(jì)”方法為她節(jié)省了大量的時(shí)間和精力。“

就性質(zhì)而言，對(duì)于其他不相關(guān)材料的優(yōu)選設(shè)計(jì)而言，有一點(diǎn)歷史值得注意。1887年，凱爾文勛爵(他是絕對(duì)溫度的同名單位)正致力于后來被稱為“開爾文問題”。這是為了確定如何將空間劃分為等體積的單元格，并且它們之間的表面積最小。他提出的解決方案，表明最有效的泡沫泡沫，被稱為“開爾文結(jié)構(gòu)”。

它持有了大約一百年，但在1994年被證明是不正確的。凱爾文選擇了所謂的“結(jié)構(gòu)A”，但英國科學(xué)家團(tuán)隊(duì)表示“結(jié)構(gòu)B”更好。從那時(shí)起，結(jié)構(gòu)B在科學(xué)界甚至更遠(yuǎn)的地方聲名鵲起，例如以巨型氣泡的形式出現(xiàn)，作為2008年北京游泳中心屋頂?shù)墓δ苄越ㄖ睾驮O(shè)計(jì)元素。奧運(yùn)會(huì)。

事實(shí)證明，研究人員在這個(gè)項(xiàng)目A15中發(fā)現(xiàn)的新階段是結(jié)構(gòu)B，再次證實(shí)大自然喜歡以前成功的設(shè)計(jì)。