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

金属/聚合物复合材料使3D打印的纳米结构更加坚固

金属/聚合物复合材料使3D打印的纳米结构更加坚固在一个称为双光子光刻的现有工艺中，激光被照射到液体树脂混合物中。只要该光束的最中心照射到其中一个纳米团块，就会发生化学反应，导致树脂在该特定区域变硬。因此，通过在树脂中精确地移动激光束，有可能建立起非常小而复杂的物体。当用这种特殊材料打印的晶格被测试时，发现它们能够吸收的能量是用其他常用材料打印的晶格的两倍。根据新复合材料制成的格子的类型，一些格子擅长承受重物而不变形，而另一些格子则擅长压扁变形吸收冲击力，然后弹回其原始的无损状态。在打印晶格时，金属纳米簇允许化学反应的发生比在其他利用不同类型的光敏分子的材料中要快得多。即使在复合材料中使用了一些不同的聚合物，也不难注意到这种效果--在一种情况下，当使用一种基于蛋白质的聚合物时，物品的打印速度比以前使用这种聚合物时快100倍。关于这项研究的一篇论文的通讯作者WendyGu助教说："现在人们对设计不同类型的3D结构以获得机械性能很感兴趣。我们在此基础上所做的是开发出一种真正善于抵抗力的材料，因此它不仅仅是三维结构，而且是提供非常好的保护的材料。"这篇论文最近发表在《科学》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1336975.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1336975.htm

科学家在聚合物半导体中的新发现：改变非手性聚合物以产生手性结构

科学家在聚合物半导体中的新发现：改变非手性聚合物以产生手性结构伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的化学家们领导的一项新研究为半导体材料的开发带来了新的视角，这种材料可以做到传统硅材料所做不到的事情--利用手性的力量（一种不可叠加的镜像）。手性是自然界用来构建复杂结构的策略之一，DNA双螺旋可能是最著名的例子--由分子"骨架"连接并向右扭曲的两条分子链。在自然界中，手性分子（如蛋白质）通过选择性地传输相同自旋方向的电子，可以非常有效地输送电能。模仿自然界手性的研究几十年来，研究人员一直致力于在合成分子中模仿自然界的手性。由化学与生物分子化学教授刁颖领导的一项新研究调查了对一种名为DPP-T4的非手性聚合物进行各种改性后在聚合物基半导体材料中形成手性螺旋结构的效果。潜在的应用包括像树叶一样发挥作用的太阳能电池、利用电子量子态更高效计算的计算机以及捕捉三维而非二维信息的新型成像技术等。一张光学显微照片显示了一种聚合物的手性液晶相，研究人员正在探索利用这种聚合物生产高效半导体材料。图片来源：YingDiao实验室提供研究结果发表在《美国化学学会中心科学》（ACSCentralScience）杂志上。研究结果和实验Diao说："我们一开始认为，对DPP-T4分子的结构进行细微调整--通过添加或改变与骨架相连的原子来实现--将改变结构的扭转或扭曲，并诱发手性。然而，我们很快发现事情并非如此简单。"利用X射线散射和想象，研究小组发现，他们的"轻微调整"导致了材料相位的重大变化。"我们观察到的是一种金发姑娘效应，"Diao说。"通常情况下，分子会像扭曲的金属丝一样聚集在一起，但突然间，当我们把分子扭转到临界扭力时，它们开始以平板或薄片的形式聚集成新的介相。通过测试这些结构弯曲偏振光的能力--这是对手性的测试--我们惊讶地发现，这些薄片也能扭曲成内聚的手性结构。"研究小组的发现揭示了一个事实，即并非所有聚合物在模仿手性结构中的高效电子传输时都会表现出类似的行为。研究报告指出，至关重要的是，不要忽视为发现未知相而形成的复杂介相结构，这些介相结构可带来前所未有的光学、电子和机械特性。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1398365.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1398365.htm

新的防腐蚀聚合物会突出展示损害部位 可自我修复并可回收利用

新的防腐蚀聚合物会突出展示损害部位可自我修复并可回收利用腐蚀和老化最终将影响人类建造的几乎所有建筑与装备，从摩天大楼再到桥梁、飞机、火车和汽车，莫不如此。开发新的抗腐蚀材料和涂层是一个持续的需求，现在科学家们已经开发出一种新材料，具有大量人们急需的特性。这种新材料被称为聚苯亚甲基，或简称PPM，它可以被喷到一个表面上，在那里它硬化成一个固体聚合物涂层。为了测试它作为腐蚀屏障的性能如何，该团队进行了一项加速老化实验，将铝合金样品暴露在有或没有PPM涂层的盐溶液中，涂有30和50微米厚的PPM层的金属在加速老化的许多周期后没有显示出明显的腐蚀。PPM还显示了自我修复能力。当研究小组故意划伤涂层，然后将其暴露在溶液中时，发现它能迅速自行修补断裂处。这是因为溶液与下面的铝发生反应，导致该区域升温并融化聚合物，使其刚好流入缺口，缺口被填满后，溶液和金属之间的接触被打破，冷却下来的涂层就会再次变硬。这种聚合物也会对这种损坏发出预先警告，提醒需要人为干预。PPM在紫外光下会发出荧光，但如果它被损坏就不会发出荧光，这样就可以清楚地检查出可能难以发现的裂缝。即使在其寿命结束时，这种超强的材料也不会停止--它可以被回收并应用于新的表面。相比之下，类似的聚合物只能被扔进垃圾场或焚烧。在测试中，研究人员将其移除并回收，材料仅损失了5%，即使经过五个循环的重复使用，其性能也没有下降。研究人员目前正在为这种材料申请专利，而进一步的工作将研究如何改进这种配方。该研究发表在《聚合物》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1345711.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1345711.htm

科学家开发新汗液传感器 使用“分子印记聚合物”检测更多的代谢物

科学家开发新汗液传感器使用“分子印记聚合物”检测更多的代谢物尽管现在有一些皮肤穿戴式传感器可以识别汗液中的代谢物，但该技术在检测内容上是有限的，而且这些传感器通常不能重复使用。然而，一种新的传感器利用一种“分子印记聚合物”，使其更加有用。该实验装置是由加州理工学院（Caltech）的一个团队开发的，由高伟副教授领导。此前，高伟和他的团队创造了嵌入酶或抗体的传感器，这些酶或抗体与佩戴者汗液中的特定代谢物化学品发生反应。除其他事项外，某些此类化学品的异常高或低水平可以表明需要治疗的特定疾病。但不幸的是，这些酶只能检测到相对较少的代谢物。抗体的用途更广一些，但它们只能使用一次。为了寻求一种性能更好的替代品，研究人员设计了一种传感器，它包含了一种聚合物薄膜，当它与汗水接触时产生电流。重要的是，在该薄膜和皮肤之间形成的一层是经过分子印记的第二种聚合物。压印过程包括在聚合物中嵌入目标代谢物的分子，而它仍处于液体状态，允许聚合物凝固成类似橡胶的稠度，然后使用一种化学过程将分子从其中移除。所产生的是一个包含微小模塑孔的聚合物片，其大小和形状与分子完全一致。当汗水与该聚合物接触时--如果汗水中很少或没有代谢物--液体就会流过大部分开放的小孔，当它到达下面的其他聚合物时就会产生强烈的电流。然而，如果汗液中存在高水平的代谢物，这些分子将堵塞许多孔。这意味着没有那么多的汗液能够通过，所以会产生较弱的电流。因此，通过监测传感器产生的电信号，可以测量佩戴者汗液中目标代谢物的浓度--汗液中的浓度通常与血液中的浓度一致。施加微弱的电流随后会破坏堵塞孔洞的分子，从而使传感器能够被重新使用。该传感器最初确实在皮肤上施加了自己的小电流，以刺激汗液分泌。然而，由于其微流体设计只需要极少量的汗液，因此电流非常微弱，据说不会让佩戴者感到不舒服。它已经在实验室中对志愿者进行了测试，并应很快成为更大规模临床试验的对象。“这种方法使我们能够检测到一堆新的关键营养物质和代谢物。我们可以监测我们何时进食并观察营养素水平的变化，”高伟说。“它不仅监测营养物质，而且还监测激素和药物。它可以为许多健康状况提供连续监测。”有关这项研究的论文最近发表在《自然·生物医学工程》杂志上。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1305285.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1305285.htm

从手机壳到导弹：创新分子让材料更耐用

从手机壳到导弹：创新分子让材料更耐用聚合物（包括各种形式的塑料）由许多较小的分子粘合而成。这种粘合使它们特别坚固，是用于保护各种物品中易碎部件的理想产品。然而，随着时间的推移、使用和暴露在不同的环境中，所有材料都会开始老化。埃里克-纳格尔展示他在桑迪亚国家实验室的团队开发的最新一批材料，他们正在努力复制一种改变聚合物传统行为的分子。图片来源：克雷格-弗里茨/桑迪亚国家实验室材料老化的最大因素之一是反复从高温暴露到低温，再从低温暴露到高温。大多数材料在加热时会膨胀，在冷却时会收缩，但每种材料都有自己的变化率。例如，聚合物的膨胀和收缩率最大，而金属和陶瓷的收缩率最小。复合材料面临的挑战领导该团队的材料科学家EricaRedline说，大多数物品都是由一种以上的材料构成的。"以手机为例，它有一个塑料外壳，再加上一个玻璃屏幕，里面还有构成电路的金属和陶瓷，"Redline说。"这些材料都是用螺丝、胶水或其他方式粘合在一起的，会以不同的速度膨胀和收缩，相互之间产生应力，时间长了就会导致开裂或翘曲"。她不断从桑迪亚的许多客户那里听到同样的抱怨。Redline说："他们总是在谈论热膨胀不匹配的问题，以及他们现有的系统如何难以使用，因为他们需要添加各种填充物来进行补偿。"就这样，Redline的想法诞生了。"我想，如果我创造出一种完美的材料，那会是什么样子呢？"在她的团队查德-斯泰格（ChadStaiger）、杰森-杜格（JasonDugger）、埃里克-纳格尔（EricNagel）、库希克-高什（KoushikGhosh）、杰夫-福斯特（JeffFoster）、肯尼斯-里昂（KennethLyons）、阿拉娜-尹（AlanaYoon）以及学术联盟合作者扎卡里亚-佩奇（ZachariahPage）教授和研究生梅根-基克（MeghanKiker）的帮助下，Redline认为她已经做到了。桑迪亚国家实验室的化学家查德-斯泰格（ChadStaiger）使用分离漏斗去除分子合成过程中的副产物。图片来源：克雷格-弗里茨/桑迪亚国家实验室行动中的分子研究小组对分子进行了改良，使其可以很容易地融入聚合物中，从而改变其特性。这确实是一种独特的分子，当加热它时，它不会膨胀，反而会通过改变形状而收缩。当它加入聚合物中时，会使聚合物的收缩程度降低，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。这种分子有无限的用途。聚合物可用作电子产品、通信系统、太阳能电池板、汽车部件、印刷电路板、航空航天应用、国防系统、地板等的保护涂层。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，"他一直在研究潜在的应用，尤其是在国防系统中的应用。这项发明的另一个关键在于，它可以在3D打印中以不同的比例融入聚合物的不同部分。可以在一个区域打印出具有特定热性能的结构，而在另一个区域打印出具有其他热性能的结构，以匹配物品不同部分的材料。另一个好处是通过消除重填料来减轻材料的重量。这将使我们能够把东西做得更轻，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非常有用。雷德琳说，还有一位环氧树脂配方设计师找到她，认为这种分子可以加入粘合剂中。ChadStaiger、KennethLyons、EricaRedline、AlanaYoon和EricNagel（从左至右）是桑迪亚国家实验室帮助提高材料耐用性的研究团队成员。图片来源：克雷格-弗里茨/桑迪亚国家实验室虽然研究小组只创造了少量这种分子，但他们正在努力寻找扩大生产规模的方法，以便其他桑迪亚研究人员能够测试这种分子，以满足任务需要。桑迪亚的有机化学家查德-斯泰格（ChadStaiger）负责制造这种分子。他说，他需要花费大约10天的时间来制造7-10克的分子。"不幸的是，这种分子的合成过程很长，"斯泰格说。"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。"该团队正利用桑迪亚技术成熟计划提供的10万美元资金，努力减少合成步骤。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1381225.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1381225.htm