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

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

科学家捕捉到光驱动聚合物的蛛丝马迹

科学家捕捉到光驱动聚合物的蛛丝马迹高速原子力显微镜与激光照射系统相结合，用于原位实时观察偶氮聚合物的变形过程。资料来源：大阪大学偶氮聚合物是一种光活性材料，这意味着当光线照射到它们时，它们会发生变化。具体来说，光线会改变它们的化学结构，从而改变薄膜的表面。这使得它们在光学数据存储和提供光触发运动等应用中颇具吸引力。能够在捕捉图像的同时用聚焦激光引发这些变化被称为原位测量。"通常，研究聚合物薄膜的变化时，需要对其进行处理，例如用光照射，然后进行测量或观察。然而，这只能提供有限的信息，"该研究的第一作者KeishiYang解释说。"使用高速原子力显微镜（HS-AFM）装置，包括一台带激光器的倒置光学显微镜，使我们能够触发偶氮聚合物薄膜的变化，同时以高时空分辨率对其进行实时观测。"(a）与激光辐照系统集成的高速原子力显微镜概述b）偶氮聚合物变形的高速原子力显微镜图像。资料来源：美国化学学会高速原子力显微镜测量能够以每秒两帧的速度跟踪聚合物薄膜表面的动态变化。研究还发现，所使用的偏振光的方向会对最终的表面图案产生影响。利用原位方法进行的进一步研究有望深入了解光驱动偶氮聚合物变形的机理，从而最大限度地发挥这些材料的潜力。该研究的资深作者TakayukiUmakoshi说："我们已经展示了观察聚合物薄膜形变的技术。不过，在此过程中，我们展示了将尖端扫描HS-AFM和激光源结合起来，用于材料科学和物理化学的潜力"。对光有反应的材料和过程在化学和生物学的多个领域都很重要，包括传感、成像和纳米医学。原位技术为加深理解和最大限度地发挥潜力提供了机会，因此有望应用于各种光学设备。编译自/scitechdaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1423710.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1423710.htm

科学家创造出的新材料兼具玻璃聚合物的硬度和凝胶的拉伸性

科学家创造出的新材料兼具玻璃聚合物的硬度和凝胶的拉伸性研究人员创造了一种名为"玻璃凝胶"的新型材料，这种材料与玻璃聚合物一样坚硬，但如果施加足够的力，它可以拉伸到原长度的五倍，而不会断裂。玻璃态凝胶的一个关键特点是，它们的液体含量超过50%，这使得它们比具有类似物理特性的普通塑料更能有效导电。资料来源：北卡罗来纳州立大学王美香科学家们发明了一种名为"玻璃凝胶"的新型材料，这种材料尽管含有50%以上的液体，但却非常坚硬且不易破裂。加上玻璃凝胶易于生产，这种材料有望应用于多种领域。凝胶体和玻璃态聚合物是历来被视为截然不同的两类材料。玻璃态聚合物质地坚硬，通常比较脆。它们用于制造水瓶或飞机窗户等物品。凝胶（如隐形眼镜）含有液体，柔软而有弹性。"我们创造了一类被称为玻璃凝胶的材料，这种材料和玻璃聚合物一样坚硬，但如果施加足够的力，它可以拉伸到原来长度的五倍，而不会断裂，"这项研究论文的通讯作者、北卡罗来纳州立大学化学和生物分子工程系卡米尔和亨利-德雷福斯教授迈克尔-迪基（MichaelDickey）说。"更重要的是，一旦材料被拉伸，你就可以通过加热使其恢复原状。此外，玻璃凝胶的表面具有很强的粘性，这在硬质材料中并不多见。"该论文的共同第一作者、北卡罗来纳州立大学博士后研究员王美香说："玻璃凝胶的一个关键特点是，它们的液体含量超过50%，这使得它们比物理特性相当的普通塑料更能高效导电。考虑到这些材料所具有的许多独特性质，我们对它们的用途感到乐观。"玻璃态凝胶，顾名思义，实际上是一种结合了玻璃态聚合物和凝胶最诱人特性的材料。为了制造玻璃态凝胶，研究人员首先将玻璃态聚合物的液态前体与离子液体混合。将这种混合液体倒入模具中，暴露在紫外线下，使材料"固化"。然后移除模具，留下玻璃状凝胶。"离子液体是一种溶剂，就像水一样，但完全由离子组成，"Dickey说。"通常在聚合物中添加溶剂时，溶剂会推开聚合物链，使聚合物变得柔软、可伸展。这就是为什么湿隐形眼镜柔软，而干隐形眼镜不柔软的原因。在玻璃态凝胶中，溶剂会将聚合物分子链推开，使其像凝胶一样具有拉伸性。然而，溶剂中的离子会强烈吸引聚合物，从而阻止聚合物链移动。链条无法移动就使其成为玻璃状。最终的结果是，由于吸引力的作用，材料变得坚硬，但由于额外的间距，材料仍然能够拉伸。"研究人员发现，玻璃凝胶可以用各种不同的聚合物和离子液体制成，但并非所有类别的聚合物都能用于制造玻璃凝胶。Dickey说："带电或极性的聚合物有望用于玻璃凝胶，因为它们会被离子液体吸引。也许玻璃凝胶最吸引人的特点就是它们的粘性，因为虽然我们知道是什么让它们变得坚硬和可拉伸，但我们只能猜测是什么让它们如此具有粘性。"在测试中，研究人员发现，玻璃状凝胶即使含有50-60%的液体，也不会蒸发或变干。他们还认为，玻璃凝胶易于制造，因此有望得到实际应用。Dickey说："制造玻璃态凝胶是一个简单的过程，可以通过在任何类型的模具中固化或3D打印来实现。大多数具有类似机械性能的塑料都要求制造商将聚合物作为原料进行生产，然后将聚合物运输到另一个工厂，在那里聚合物被熔化并形成最终产品。我们很高兴看到如何使用玻璃凝胶，并愿意与合作者一起确定这些材料的应用"。这篇题为"由溶剂增韧的玻璃凝胶"的论文于6月19日发表在《自然》杂志上。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1435551.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1435551.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

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