软物质科普∣聚合物分子刷:一种拓扑结构多变的聚合物
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软物质科普∣聚合物分子刷:一种拓扑结构多变的聚合物
发布时间:2021-03-15        浏览次数:373

文章作者:范志玮(2018级博士生)

指导老师:孙桃林(特聘研究员)

  每年春末夏初盛开时,你注意到过挂在红千层枝头像“洗瓶刷”一样的花朵吗(图1)?说起洗瓶刷,它有什么特点呢?仔细观察的话,我们会发现连结在固定轴上的丝毛会定向向外伸展,丝毛长度和材质不同的洗瓶刷具有不同的软硬程度等。


图1 花朵就像洗瓶刷的红千层


  在高分子领域,利用一些先进的化学合成手段就可以从分子尺度上形成洗瓶刷-聚合物分子刷。聚合物分子刷(Polymer Brushes)是指将将高分子聚合物链接枝到聚合物主链上形成的一类具有特殊结构的高分子体系。由于空间位阻的存在,这些聚合物侧链相互排斥并向外伸展,使得从分子层面上实现了类似于实验室烧瓶刷的结构。那么如何制备这种具有独特紧凑结构的聚合物分子刷呢?目前主要的合成策略有三种(图2):大分子单体聚合(Grafting through)、直接接枝到主链(Grafting to)和从主链接枝(Grafting from)。三种方法即可单独使用,也可相互联用,通过与活性/可控聚合方法相结合,可设计出所需结构的聚合物分子刷[1]。

图2 聚合物分子刷的合成策略


  聚合物分子刷的一个显著特点是,通过控制聚合物主链、侧链的聚合度以及侧链接枝密度等就可以有效调控聚合物分子刷的长径比(L/D),以及相对应的聚集结构和构象(图3)。如当侧链聚合度和接枝密度较大时,分子内的排除体积效应使得高分子主链被拉伸而呈现半刚性特征。当L ≈ D时,聚合物分子刷呈现类似于球形的形貌;当L > D时,呈现短棒状形貌;当L >> D时,呈现蠕虫状形貌[2-3]。


图3 聚合物分子刷的构象控制


  聚合物分子刷的出现,为解决材料科学和工程领域的许多挑战提供了解决办法。如实验和理论计算表明聚合物分子刷的持续长度()与它的链直径(D)相当,使得聚合物分子刷在增加它的链直径的情况下仍能保持它的“柔顺性”。基于这种特性,开辟了一条基于聚合物分子刷体系来设计超软弹性体(~100Pa)的新途径(图4)[3]。


图4. 基于聚合物分子刷策略设计出的超软弹性体


  同时,利用聚合物分子刷的自组装特性,在不需要加入化学交联剂的情况下,就能设计出的具有类皮肤组织特性相媲美的仿生材料。这种材料在拉伸过程中颜色发生变化,能够像变色龙的皮肤一样变色伪装,这让人们对于复制类皮肤材料不再是幻想,触手可及 [4]。


图4 A. 基于聚合物分子刷的类皮肤仿生材料


 图5 聚合物分子刷的应用


  聚合物分子刷的聚集形态和构象表现出独特的物理化学性质,从而实现了它们在纳米医学,光子晶体,仿生结构和润滑剂等领域的应用(图5)[5]。聚合物分子刷将仍然是高分子材料领域的热点之一,如何构建结构参数与它的物性之间的关系,以及进一步拓宽它的应用,仍需进一步的探索。


参考文献:


[1] Xie G J, et al. Biomacromolecules, 2018, 20(1), 27-54

[2] Sun Zi-yang, et al. Acta Polymerica Sinica, 2020, 51(6): 609-619. 

[3] Daniel William F. M., et al. Nature Materials, 2016, 15,183–189.

[4] Vatankhah-Varnosfaderani Mohammad., et al. Science, 2018, 359.1509-1513.

[5] Rafael Verduzco., et al. Chemical Society Reviews, 2015, 44, 2405-2420.


孙桃林课题组:

  孙桃林长期从事软物质材料(水凝胶、弹性体)的韧性、自修复和形状记忆等性能设计,以及材料在变形过程中的结构演化及其破坏机理研究。欢迎高分子、化学、物理、材料等相关专业的同学加入团队。

  导师信息请见网页:http://www2.scut.edu.cn/aismst/2018/0930/c21553a287499/page.htm


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