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  與金屬玻璃和無機非金屬玻璃相比，高分子玻璃具有質輕、力學性能獨特等突出特點，使其在航空航天和汽車工業等領域擁有著廣泛的應用價值。例如，按體積計算，構成波音737飛機的材料約有百分之四十為高分子玻璃。揭示高分子玻璃形成的物理機制進而為其分子設計提供指導是高分子玻璃化研究中的一個關鍵科學任務。

  當玻璃態高分子體系處于壓強或應力等外場中時，通常引入“活化體積”這一基本物理量來定量描述材料微觀分子松弛和擴散性質的變化。盡管活化體積與高分子材料的加工過程密切相關，然而過去幾十年的實驗、模擬和理論研究并未對它的微觀物理意義給出確切的解釋。同時，協同運動已經成為理解玻璃態材料動力學和其他異常性質的一個核心概念。盡管如此，從實驗中測量玻璃態高分子體系中的協同運動尺度往往缺乏明確的解釋，且實驗中存在手段有限、成本高等缺點。近期的實驗研究結果暗示活化體積可能與協同運動尺度存在對應關系。如果能夠建立活化體積和協同運動尺度之間的定量關系，那么不僅可以明晰活化體積的微觀物理意義，還可以為協同運動尺度的實驗測量提供一個簡單有效的途徑。

圖1.活化體積的計算以及活化體積隨溫度的變化。（a-b）高分子玻璃化的熵理論預測結果。（c-d）分子動力學模擬結果。（e）玻璃態高分子體系的活化體積和協同運動尺度隨溫度降低而變化的示意圖。

  最近，中科院長春應化所安立佳院士團隊徐文生研究員及其合作者基于前期對高分子玻璃化問題的大量探索與積累，建立了計算高分子玻璃體系活化體積和協同運動尺度的熵理論以及分子動力學模擬分析方法。熵理論預測結果與實驗和模擬結果符合較好，證實了高分子玻璃化熵理論的合理性（圖1）。高分子玻璃化熵理論可以細致地考察鏈剛性、相互作用強度、鏈長、單體結構等分子因素對活化體積的影響，從而構建了微觀分子參數對活化體積的影響規律。作者采用理論和模擬系統地比較了活化體積和協同運動尺度的溫度依賴性，發現活化體積和協同運動尺度之間并無直接對應關系。為了深入理解這一結果，作者在熵理論框架下細致分析了活化體積和活化自由能隨溫度和壓力的變化規律。該分析使作者認識到，活化體積的溫度依賴性與活化自由能對溫度的微分變化直接關聯，從而明晰了活化體積的物理意義。

圖2.高分子玻璃化熵理論預測的活化體積、脆性指數和玻璃化轉變溫度與分子堆積效率參數之間的關聯。

  理論計算進一步表明，活化體積、脆性指數和玻璃化轉變溫度隨分子參數的變化均可以通過分子的“堆砌效率”得到解釋（圖2）。作者采用自由體積以及實驗中可測量的熱擴散系數和等溫壓縮因子來表征材料的堆砌效率。單體分子結構復雜、形狀不規則的高分子具有較差的空間堆砌效率，因此表現出較大的活化體積、較大的脆性指數和較高的玻璃化轉變溫度。對分子內聚能強度相同的高分子體系，熵理論預測堆砌效率和高分子玻璃化特征性質之間存在一定的普適性。這些結果不僅增進了對高分子玻璃化本質的認識，也為高分子玻璃的分子設計提供了理論指導。

  以上研究成果以“Investigation of the Temperature Dependence of Activation Volume in Glass-Forming Polymer Melts under Variable Pressure Conditions”和“Understanding Activation Volume in Glass-Forming Polymer Melts via Generalized Entropy Theory”為題發表在國際權威期刊Macromolecules上（Macromolecules 2020, DOI: 10.1021/acs.macromol.0c01268；Macromolecules 2020, DOI: 10.1021/acs.macromol.0c01269）。論文第一單位為中國科學院長春應用化學研究所，第一作者為中科院長春應化所徐文生研究員，合作者包括中科院長春應化所徐曉雷副研究員、美國國家標準與技術研究院Jack F. Douglas研究員和美國北達科他州立大學夏文杰教授。此外，研究組還在單體分子細節如何影響高分子玻璃化問題上取得了新進展，相關研究成果發表在Macromolecules上（Macromolecules 2020, 53, 12, 4796-4809）。這些工作得到了國家自然科學基金的資助。

  論文信息及鏈接:

  Wen-Sheng Xu*, Jack F. Douglas*, Wenjie Xia*, and Xiaolei Xu*. Investigation of the Temperature Dependence of Activation Volume in Glass-Forming Polymer Melts under Variable Pressure Conditions. Macromolecules 2020, DOI: 10.1021/acs.macromol.0c01268

  https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.0c01268

  Wen-Sheng Xu*, Jack F. Douglas*, Wenjie Xia*, and Xiaolei Xu*. Understanding Activation Volume in Glass-Forming Polymer Melts via Generalized Entropy Theory. Macromolecules 2020, DOI: 10.1021/acs.macromol.0c01269.

  https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.0c01269

  Wen-Sheng Xu*, Jack F. Douglas*, and Xiaolei Xu*. Molecular Dynamics Study of Glass Formation in Polymer Melts with Varying Chain Stiffness. Macromolecules 2020, 53, 12, 4796-4809.

  https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.0c00731

作者簡介

  徐文生，博士，中國科學院長春應用化學研究所研究員、博士生導師。2007年7月在天津大學獲得學士學位，2012年7月在中國科學院長春應用化學研究所獲得博士學位，師從安立佳院士和孫昭艷研究員。2013年1月至2018年9月先后在美國芝加哥大學和美國橡樹嶺國家實驗室從事博士后研究，合作導師分別為Karl F. Freed教授和Yangyang Wang博士。2019年1月入職中國科學院長春應用化學研究所高分子物理與化學國家重點實驗室任研究員，在安立佳院士科研團隊開展獨立互補的研究工作。主要研究方向為高分子玻璃化和流變學的理論、計算與模擬。自2010年以來，以第一/通訊作者在Physical Review Letters、ACS Marco Letters、Macromolecules、The Journal of Chemical Physics等國際知名期刊已發表研究論文30余篇。熱忱歡迎有志青年（保研考研/博士后/特別研究助理）加入！

  研究組主頁：http://www.glass-ciac.com