3D渲染图，展示了两种单体形成可逆双氢键，减缓聚合物运动而不产生弹性网络。资料来源:S. Nian et al.， Phys。Rev. Lett. 130,228101 (2023)

由弗吉尼亚大学领导的一个研究小组对结合聚合物进行了一项研究，这是一种具有独特自我修复和性能的材料，似乎挑战了长期以来对材料在分子水平上如何起作用的理解。

这项研究是由弗吉尼亚大学材料科学与工程与化学工程助理教授蔡立恒领导的。蔡教授表示，这一新发现具有重大意义，因为这些材料在日常生活中有无数的应用，从可回收塑料工程到人体组织工程，甚至可以控制油漆的粘度以防止它滴水。

这一发现发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)杂志上，是由他的博士后研究员Shifeng Nian和博士生Myoeum Kim在弗吉尼亚大学工程与应用科学学院的Cai实验室开发的新型缔合聚合物实现的。这一突破源于蔡在2018年来到弗吉尼亚大学之前共同开发的一个理论。

“Shifeng和Myoeum基本上创造了一个新的实验平台，以一种以前不可能的方式研究结合聚合物的动力学，”蔡说。

“这为我们提供了一个关于聚合物行为的新视角，并为提高我们对聚合物科学中特别具有挑战性的研究领域的理解提供了机会。从技术的角度来看，这项研究有助于开发具有定制特性的自修复材料。”

聚合物是由重复单元或单体组成的大分子。通过重新排列或组合这些单元，并修补它们的键，科学家可以设计出具有特定特性的聚合物材料。

聚合物也可以改变状态，从坚硬和刚性，如玻璃，橡胶甚至流体取决于诸如温度或力的因素-例如，推动固体凝胶通过皮下注射针。

结合聚合物尤其与众不同:它们的基团——具有可定制物理性质的分子亚基的总称——通过可逆键连接在一起，这意味着它们可以分解并重新形成。

这一过程实现了传统聚合物无法达到的宏观性能。因此，结合聚合物为可持续性和健康方面的一些最紧迫的挑战提供了解决方案。例如，结合聚合物被用作燃料中的粘度调节剂，用于制造坚韧的自愈聚合物，以及用于设计具有对组织工程和再生至关重要的物理特性的生物材料。

UVA团队工作的一个关键是克服了一个困扰研究人员多年的材料特性。在实验室里，科学家们研究的材料，其化学键可以在“实验室时间尺度”上断裂和重新形成，这意味着在他们可以通过实验观察的时间框架内。然而，在几乎所有现有的实验系统中，这些基团聚集成小簇，这阻碍了对可逆键和聚合物行为之间关系的精确研究。

蔡的团队开发了新型的结合聚合物，这种聚合物的键在整个材料中均匀分布，密度范围很广。为了证实他们的材料不会形成团簇，研究人员与美国能源部布鲁克海文国家实验室的科学家米哈伊尔·热嫩科夫合作。他们在国家同步加速器光源II上使用一种复杂的x射线工具——软物质界面光束线进行了实验，在不损坏样品的情况下揭示了聚合物的内部组成。

这些新的缔合聚合物使蔡的团队能够精确地研究可逆相互作用对缔合聚合物动力学的影响。

动力学和行为指的是分子运动减慢到刚性“玻璃”状态的温度、粘度(材料流动的自由程度)和弹性(变形后弹回的能力)等特征。例如，在设计一种与人体组织相容的生物材料时，通常需要将这些特性混合在一起，这种生物材料可以在注射后自我重组。

30年来，人们一直认为，当可逆键保持完整时，它们就会充当交联剂，从而形成橡胶材料。但这不是弗吉尼亚大学领导的研究小组的发现。

该团队与密歇根州立大学化学工程与材料科学系助理教授、流动动力学专家程世旺(Shiwang Cheng)合作，在很宽的时间尺度内精确测量了聚合物的流动行为。

“这需要仔细控制当地环境，比如聚合物的温度和湿度，”Cheng说。“多年来，我的实验室已经开发了一套方法和系统来做到这一点。”

研究小组发现，这些键可以减缓聚合物的运动，并在不形成橡胶网络的情况下耗散能量。出乎意料的是，研究表明，可逆相互作用影响聚合物的玻璃性质，而不是它们的粘弹性范围。

“我们的结合聚合物提供了一个系统，可以单独研究可逆相互作用对[聚合物]运动和玻璃行为的影响，”蔡说。“这可能为提高对塑料等玻璃聚合物具有挑战性的物理学的理解提供了机会。”

从他们的实验中，蔡的团队还开发了一种新的分子理论来解释结合聚合物的行为，这可能会改变人们对如何设计具有优化性能(如高刚度和快速自愈能力)的聚合物的思考。

参考文献:“具有高密度可逆键的缔合聚合物动力学”，作者:年世峰，sharin Patil，张思腾，Kim Myoeum，陈泉，Mikhail zhennenkov，葛婷，程世旺，蔡立恒，2023年5月31日，物理评论DOI: 10.1103 / PhysRevLett.130.228101

除了Nian、Kim、Cheng和zhennenkov, Cai还与计算模拟专家、南卡罗来纳大学化学与生物化学助理教授Ting Ge和长春应用化学研究所高分子物理与化学国家重点实验室的Quan Chen合作，后者提供了分析聚合物流动行为的初始代码。

这篇题为“具有高密度可逆键的缔合聚合物动力学”的论文发表在6月2日的《物理评论快报》上，该杂志是美国物理学会的旗舰刊物，并被列为编辑建议——只有六分之一的被接受的论文获得了这一殊荣。这篇文章还被该学会的在线杂志《物理》(Physics)列为主要文章。

国家科学基金会CAREER奖支持蔡在缔合聚合物方面的研究。他还接受来自弗吉尼亚大学的资助，包括糖尿病基金的启动台。他的研究小组正在继续为这些材料的使用奠定科学基础。