环保技术新突破：科学家利用植物纤维素制成新型聚合物

环保技术新突破：科学家利用植物纤维素制成新型聚合物科学家们设计出了一种利用纤维素生产可回收且稳定的聚合物的方法，为传统塑料提供了一种可持续的替代品。这一研究成果为生产环保材料提供了新的可能性。上图为本研究开发的新型可回收聚合物制成的透明薄膜。资料来源：FengLi他们开发出了一种方便、多用途的方法，利用从植物纤维素中提取的化学物质制造各种聚合物；最重要的是，这些聚合物可以完全回收利用。该方法发表在《ACSMacroLetters》杂志上。纤维素是植物生物质中最丰富的成分之一，是所有植物细胞周围坚韧细胞壁的关键部分。纤维素很容易从稻草和锯末等植物废料中获取，因此，将纤维素用作聚合物生产的原料不会减少用于粮食生产的农业用地。纤维素是一种长链多糖聚合物，即由多个糖基（特别是葡萄糖）通过化学键连接而成。为了制造新型聚合物，北海道研究小组使用了两种市售的小分子，即由纤维素制成的左旋葡糖烯酮（LGO）和二氢左旋葡糖烯酮（Cyrene）。他们开发了新颖的化学工艺，将LGO和Cyrene转化为各种非天然多糖聚合物。通过改变聚合物的精确化学结构，可以生成不同的材料，用于各种可能的应用。"我们面临的最大挑战是控制将较小单体分子连接在一起的聚合反应，以及获得对普通应用足够稳定的多糖材料，同时还能在特定化学条件下被分解和回收。"左起研究小组的佐藤俊文、水上雄太、李锋和矶野拓也。图片来源：李锋李补充说，研究过程中最大的惊喜是他们制作的聚合物薄膜具有很高的透明度，这对于这些聚合物似乎最适合的专业应用来说可能至关重要。另一位通讯作者ToshifumiSatoh教授补充说：由于这些材料相当坚硬，可能难以用作塑料袋等柔性塑料材料，因此我认为它们更适合用作光学、电子和生物医学应用领域的高性能材料。世界各地的其他研究小组也在探索用植物制造塑料替代聚合物的潜力，其中一些"生物塑料"已经可以在市场上买到，但佐藤的研究小组为这一快速发展的领域增添了一个重要的新机会。研究小组现在计划探索更多的可能性，但可行的结构变化非常多，因此他们希望与计算化学、人工智能和自动合成方面的专家联手探索这些选择。"我们希望这项工作能开发出多种有用的非天然多糖聚合物，使其成为从生物质到高效回收的可持续合成闭环的一部分。"编译自:ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1424673.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1424673.htm

新开发的分子可使聚合物更像金属 从而提高耐久性

新开发的分子可使聚合物更像金属从而提高耐久性由于成本低、密度小、具有良好的热绝缘性和电绝缘性以及较强的耐腐蚀性，日常生活中使用的几乎所有物品中都有聚合物的身影。然而，持续暴露在冷热环境中会导致包括聚合物在内的材料膨胀和收缩，最终导致老化。不同材料的膨胀和收缩率不同，例如金属和陶瓷的收缩率就比聚合物小。美国桑迪亚国家实验室的研究人员改造了一种分子，将其添加到聚合物中后，可以增加材料的耐久性，使其更像金属。领导研究小组的材料科学家埃里卡-雷德莱恩说："这是一种独特的分子，当你加热它时，它不但不会膨胀，反而会通过改变形状而收缩。当它被添加到聚合物中时，会使聚合物收缩较小，达到与金属相似的膨胀和收缩值。有一种分子的行为与金属相似，这是非常了不起的。"开发这种改变游戏规则的分子（研究人员尚未命名）的想法源于桑迪亚客户对智能手机易碎性的抱怨，智能手机由各种材料制成，它们对冷热的反应各不相同。"以手机为例，它有一个塑料外壳和一个玻璃屏幕，外壳内部是构成电路的金属和陶瓷，"Redline说。"这些材料都是用螺丝、胶水或某种方式粘合在一起的，它们会以不同的速度膨胀和收缩，相互之间产生应力，随着时间的推移会导致它们开裂或翘曲。"研究人员表示，这种分子可能会彻底改变聚合物的应用方式，包括电子产品、通信系统、太阳能电池板、汽车零部件、电路板、航空航天设计、国防系统和地板等。桑迪亚化学工程师杰森-杜格（JasonDugger）说："这种分子不仅解决了当前的问题，还为未来更多的创新开辟了设计空间。"他们说，这种分子的一个好处是，在3D打印过程中，可以按不同比例将其引入聚合物的不同部分。杜格说："我们可以在一个区域打印出具有特定热行为的结构，而在另一个区域打印出具有其他热行为的结构，以匹配物品不同部分的材料。此外，它还有助于通过消除重填料来减轻材料的重量。通常情况下，碳酸钙、硅石、粘土、高岭土和碳等矿物质会被添加为填料，使聚合物更容易成型，并确保稳定性。这将使我们能够做得更轻，以节省质量。例如，在发射卫星时，这一点尤为重要。我们能节省的每一克都是巨大的。"到目前为止，研究人员只制造出了少量的分子，但他们正在研究扩大生产规模的方法。目前，生产0.2至0.3盎司（7至10克）的产品需要大约10天的时间。负责创造这种分子的有机化学家查德-斯泰格（ChadStaiger）说："不幸的是，这种分子的合成过程很长。更多的步骤意味着更多的时间和金钱。在制药等价值较高的材料中，通常需要五到六个步骤的合成。在聚合物领域，越便宜越有利于大规模应用。"尽管如此，研究人员仍然对这种分子的潜在用途持乐观态度。研究小组成员埃里克-纳格尔（EricNagel）说："目前还没有类似的东西。我对这项技术的可能性以及与之相关的应用感到非常兴奋"。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1379399.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1379399.htm

人工肌肉首次弯曲：铁电聚合物在机器人领域的创新

人工肌肉首次弯曲：铁电聚合物在机器人领域的创新图为由焦耳加热驱动的铁电聚合物的驱动力机械应变，即材料在受力时如何改变形状，是执行器的一个重要属性，执行器是指在施加电能等外力时将改变或变形的任何材料。传统上，这些执行器材料是刚性的，但软性执行器，如铁电聚合物，显示出更高的灵活性和环境适应性。研究表明，铁电聚合物纳米复合材料有可能克服传统压电聚合物复合材料的局限性，为开发具有更强应变性能和机械能量密度的软执行器提供了一条有希望的途径。由于软执行器的强度、功率和灵活性，机器人研究人员对其特别感兴趣。宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程系教授、最近发表在《自然-材料》杂志上的研究报告的共同通讯作者QingWang说："我们现在有可能拥有一种软体机器人，我们称之为人工肌肉。这将使我们能够拥有软性物质，除了大的应变外，还能承载高负荷。因此，这种材料就会更多地模仿人类肌肉，一种接近人类肌肉的材料。"然而，在这些材料能够实现其承诺之前，还有一些障碍需要克服，研究报告中提出了解决这些障碍的潜在方案。铁电体是一类材料，当施加外部电荷，材料中的正负电荷走向不同的极点时，会表现出自发的电极化。这些材料在相变过程中的应变，在这种情况下，将电能转换为机械能，可以完全改变其形状等属性，使其成为有用的执行器。铁电致动器的一个常见应用是喷墨打印机，电荷改变致动器的形状，以精确控制在纸上沉积墨水的微小喷嘴，形成文字和图像。虽然许多铁电材料是陶瓷，但它们也可以是聚合物，这是一类由许多类似单元粘合在一起的天然和合成材料。例如，DNA是一种聚合物，尼龙也是如此。铁电聚合物的一个优点是它们表现出驱动所需的大量电场诱导的应变。这种应变远远高于其他用于执行器的铁电材料所产生的应变，如陶瓷。铁电材料的这一特性，以及高度的灵活性、与其他铁电材料相比成本的降低和低重量，对日益增长的软体机器人领域的研究人员有着极大的兴趣，软体机器人是指具有柔性部件和电子器件的机器人设计。Wang说："在这项研究中，我们为软材料驱动领域的两个主要挑战提出了解决方案。一个是如何提高软材料的力。我们知道作为聚合物的软驱动材料具有最大的应变能力，但与压电陶瓷相比，它们产生的力要小得多。"第二个挑战是，铁电聚合物致动器通常需要一个非常高的驱动场，这是一个在系统中施加变化的力，例如致动器的形状变化。在这种情况下，高驱动场对于在聚合物中产生成为致动器所需的铁电反应的形状变化是必要的。为改善铁电聚合物的性能而提出的解决方案是开发一种渗流式铁电聚合物纳米复合材料--一种附着在聚合物上的微观贴纸。通过将纳米颗粒纳入一种聚合物--聚偏二氟乙烯，研究人员在聚合物内创建了一个相互连接的极点网络。这个网络使铁电相变能够在比通常所需的低得多的电场下被诱导出来。这是通过使用焦耳加热的电热方法实现的，当电流通过导体时，会产生热量。使用焦耳加热来诱导纳米复合聚合物的相变，结果只需要不到铁电相变通常需要的电场强度的10%。通常情况下，铁电材料中的这种应变和力是相互关联的，呈反比关系。现在研究人员可以把它们整合到一种材料中，利用焦耳加热来驱动它。由于驱动场要低得多，不到10%，这就是为什么这种新材料可以用于许多需要低驱动场才能有效的应用，如医疗设备、光学设备和软机器人。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1369773.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1369773.htm

科学家开发出具有高性能的本征聚合物电解质

科学家开发出具有高性能的本征聚合物电解质科学家们从一种交联聚合物中开发出了一种固态电解质，这种电解质具有很高的离子传导性和稳定性，有望用于下一代锂电池。这种新材料在循环300次后仍能保持90%以上的电池存储容量，是目前液态电解质更安全的替代品。这种新开发的高导电性固体电解质可能会为固态锂电池铺平道路。电池通过化学反应储存能量，这取决于带电离子通过电解质从阴极流向阳极。本征聚合物电解质聚合反应路径。资料来源：Li等人遗憾的是，聚合物电解质在室温下的离子电导率太低，无法实用。最近生产并被描述为"固态"的其他电解质实际上含有凝胶。QuanfengDong及其同事设计并合成了一种固态电解质，它由1,3-dioxolane(DOL)和季戊四醇缩水甘油醚(PEG)组成的交联聚合物制成。这种本征聚合物电解质（IPE）具有三维（3D）网状结构，在室温下离子电导率高达0.49毫西门子/厘米，远远高于PEO。本征聚合物电解质的锂离子迁移率高达0.85。使用本征聚合物电解质制造的电池在经过300次充放电循环后，仍能保持90%以上的存储容量。作者说，这种材料可能是下一代高能量密度全固态锂电池的良好选择。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1382137.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1382137.htm

化学家解开长期困扰他们的聚合物科学之谜

化学家解开长期困扰他们的聚合物科学之谜包含分子力探针（中央结构）的聚合物链被内爆空化泡（中央圆圈）周围的流场扭曲的艺术效果图。资料来源：利物浦大学RomanBoulatov教授在最近发表在《自然-化学》（NatureChemistry）杂志封面上的一篇论文中，利物浦的研究人员利用机械化学来描述溶液中的聚合物链如何对周围溶剂流动的突然加速做出反应。这一新方法使过去50年来一直困扰聚合物科学家的一个基本技术问题终于有了答案。大分子溶质在快速流动中的碎裂具有相当重要的基础和实际意义。人们对链断裂前的分子事件序列知之甚少，因为此类事件无法直接观察到，而必须根据流动溶液的主体成分变化来推断。在此，我们介绍了如何通过分析聚苯乙烯链的断裂与嵌入其主干的发色团的异构化之间的同链竞争，详细描述超声溶液中发生机械化学反应的链的分子几何分布。在最新的实验中，过度拉伸（机械负载）的链段沿着主干生长和漂移，其时间尺度与机械化学反应相同，并且与机械化学反应竞争。因此，碎裂链只有小于30%的骨架被过度拉伸，最大力和最大反应概率都位于远离链中心的位置。因此，量化链内竞争对于任何速度足以使聚合物链断裂的流动都可能具有机理意义。历史挑战和影响自20世纪80年代以来，研究人员一直试图了解溶解聚合物链对突然加速的溶剂流的独特反应。然而，他们一直受限于高度简化的溶剂流，对真实世界系统行为的洞察力有限。利物浦化学家RomanBoulatov教授和RobertO'Neill博士的这一新发现对物理科学的多个领域具有重要的科学意义，同时在实际操作层面也对许多价值数百万美元的工业流程（如提高油气回收率、长距离管道和光伏制造）中使用的基于聚合物的流变控制具有重要意义。RomanBoulatov教授说："我们的发现解决了聚合物科学中的一个基本技术问题，并有可能颠覆我们目前对空化溶剂流中链行为的理解。"该论文的共同作者罗伯特-奥尼尔博士补充说："我们的方法论证明揭示了我们对聚合物链如何响应空化溶液中溶剂流动的突然加速的理解过于简单，无法支持系统设计新的聚合物结构和成分，以在这种情况下实现高效、经济的流变控制，也无法获得对流动诱导机械化学的基本分子见解。我们的论文对我们在分子长度尺度上研究非平衡聚合物链动力学的能力具有重要影响，从而使我们有能力回答关于能量如何在分子间和分子内流动，以及能量如何从动能转化为势能再转化为自由能的基本问题。"研究小组计划重点扩大他们的新方法的范围和能力，并利用这种方法绘制分子级物理图谱，从而准确预测聚合物、溶剂和流动条件任意组合的流动行为。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1385755.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1385755.htm

研究发现一种较弱的粘合剂可使聚合物强度提高10倍

研究发现一种较弱的粘合剂可使聚合物强度提高10倍这些类橡胶聚合物通常用于汽车零部件，也经常用作3D打印物体的“墨水”。研究人员目前正在探索将这种方法扩展到其他类型材料的可能性，例如橡胶轮胎。麻省理工学院化学教授耶利米·约翰逊(JeremiahJohnson)表示：“如果你能让橡胶轮胎的抗撕裂能力提高10倍，这可能会对轮胎的使用寿命和脱落的微塑料废物量产生巨大影响。”该研究的资深作者之一，该研究于6月22日发表在《科学》杂志上。当这种聚合物网络被拉伸时，较弱的交联键（蓝色）比任何强聚合物链更容易断裂，从而使裂纹更难以在材料中传播。图片来源：研究人员提供，由麻省理工学院新闻编辑这种方法的一个显着优点是它似乎不会改变聚合物的任何其他物理特性。“聚合物工程师知道如何使材料变得更坚韧，但这总是涉及到改变材料的一些其他你不想改变的特性。在这里，韧性的增强没有任何其他物理特性的显着变化——至少我们可以测量到——并且它是通过仅替换整体材料的一小部分来实现的。”杜克大学也是该论文的资深作者。该项目源于约翰逊、克雷格和杜克大学教授迈克尔·鲁宾斯坦（MichaelRubinstein）之间的长期合作，迈克尔·鲁宾斯坦也是该论文的资深作者。该论文的主要作者是麻省理工学院的博士后王舒，他在杜克大学获得了博士学位。最薄弱的环节聚丙烯酸酯弹性体是由通过分子连接在一起的丙烯酸酯链制成的聚合物网络。这些构建块可以以不同的方式连接在一起，以创建具有不同属性的材料。这些聚合物经常使用的一种结构是星形聚合物网络。这些聚合物由两种类型的结构单元制成：一种是具有四个相同臂的星形结构，另一种是充当连接体的链。这些连接器与恒星每条臂的末端结合，形成一个类似于排球网的网络。在2021年的一项研究中，克雷格、鲁宾斯坦和麻省理工学院教授布拉德利·奥尔森联手测量了这些聚合物的强度。正如他们所预期的那样，他们发现当使用较弱的末端连接体将聚合物链固定在一起时，材料会变得更弱。这些较弱的连接体含有称为环丁烷的环状分子，与通常用于连接这些结构单元的连接体相比，可以用小得多的力来破坏这些较弱的连接体。作为该研究的后续行动，研究人员决定研究一种不同类型的聚合物网络，其中聚合物链在随机位置与其他链交联，而不是在末端连接。这次，当研究人员使用较弱的连接体将丙烯酸酯构件连接在一起时，他们发现该材料变得更耐撕裂。研究人员认为，这种情况的发生是因为较弱的键随机分布在整个材料中的强链之间，而不是最终链本身的一部分。当这种材料被拉伸到断裂点时，任何穿过材料传播的裂纹都会试图避开较强的键，而通过较弱的键。这意味着与所有键强度相同时相比，裂纹必须破坏更多的键。“尽管这些键较弱，但更多的键最终需要被打破，因为裂缝会穿过最弱的键，最终会成为一条更长的路径，”约翰逊说。坚韧材料通过这种方法，研究人员发现，掺入一些较弱连接基的聚丙烯酸酯比采用较强交联分子制成的聚丙烯酸酯更难撕裂9至10倍。即使弱交联剂仅占材料总成分的2%左右，也能实现这种效果。研究人员还表明，这种改变的成分不会改变材料的任何其他特性，例如加热时的抗分解性。约翰逊说：“两种材料在网络层面具有相同的结构和相同的性能，但在撕裂方面却具有几乎数量级的差异，这是非常罕见的。”研究人员目前正在研究这种方法是否可以用于提高包括橡胶在内的其他材料的韧性。“关于其他类型的材料可以获得何种程度的增强以及如何最好地利用它，还有很多值得探索的地方，”克雷格说。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1367383.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1367383.htm