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浙理工王新平教授團(tuán)隊(duì)徐健荃 PNAS:非平衡效應(yīng)對(duì)玻璃態(tài)高分子表面鏈段運(yùn)動(dòng)能力梯度的影響
2024-10-08  來(lái)源:高分子科技

  納米材料表面的分子狀態(tài)是決定材料表面現(xiàn)象(潤(rùn)濕、摩擦、粘結(jié)等)和物理性能(力學(xué)、流變、結(jié)晶等)的關(guān)鍵因素。研究高分子表面分子的弛豫行為不僅有助于尋找調(diào)控納米材料性能的新方法,還可為揭示玻璃化的本質(zhì)這一凝聚態(tài)物理長(zhǎng)期懸而未決的問(wèn)題提供新的視角和證據(jù)。研究發(fā)現(xiàn),玻璃態(tài)高分子表面存在一層運(yùn)動(dòng)能力增強(qiáng)的活性層;隨著遠(yuǎn)離表面,分子運(yùn)動(dòng)能力逐漸減弱直至回到本體狀態(tài)。然而,對(duì)于表面增強(qiáng)分子運(yùn)動(dòng)能力的傳遞距離和梯度分布規(guī)律的爭(zhēng)論,以及實(shí)驗(yàn)上高空間分辨率測(cè)量表面附近局部分子弛豫時(shí)間(或玻璃化轉(zhuǎn)變溫度,Tg)的困難,阻礙了該領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。



  浙江理工大學(xué)徐健荃特聘副教授和王新平教授南弗羅里達(dá)大學(xué)David S. Simmons教授香港科技大學(xué)Ophelia K. C. Tsui教授合作,利用氟化基團(tuán)標(biāo)記法,結(jié)合不同表面探測(cè)深度表征技術(shù)(和頻振動(dòng)光接觸角測(cè)量、角分辨X射線光電子能譜)和分子動(dòng)力學(xué)模擬,分別從實(shí)驗(yàn)和模擬上研究了納米分辨率下聚合物膜表面附近局部Tg的空間分布規(guī)律,驗(yàn)證了越接近表面,局部Tg越小。此外,在實(shí)驗(yàn)上他們完整觀察到了環(huán)狀聚甲基丙烯酸甲酯(c-PMMA)表面附近局部Tg隨深度變化直至回復(fù)本體值的過(guò)程,并發(fā)現(xiàn)表面Tg的空間分布呈線性梯度變化(如Fig.1所示)。類似的表面Tg線性梯度變化也可在線型高分子體系中觀察到。然而,典型的模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)表面Tg的空間分布呈指數(shù)梯度變化(如Fig.2B中實(shí)線所示)。


Fig. 1Experimental depth profiles Tgne(z) taken at the surface of various c-PMMA polymers. Dashed lines are the best fits to a linear gradient.


  考慮實(shí)驗(yàn)體系為非平衡態(tài),而典型的模擬體系則處于平衡態(tài),他們猜想可能是非平衡效應(yīng)主導(dǎo)了表面Tg空間分布規(guī)律。因此,他們將非平衡分為外在非平衡(鏈構(gòu)象相關(guān)的非平衡)和內(nèi)在非平衡(溫度達(dá)到非平衡Tg時(shí)的穩(wěn)態(tài)失衡),并將兩者引入模擬過(guò)程。結(jié)果發(fā)現(xiàn),越靠近表面,分子弛豫會(huì)更明顯的偏離平衡弛豫曲線(如Fig.2A所示),觀察到明顯的非平衡效應(yīng)。他們通過(guò)消除鏈構(gòu)象非平衡,驗(yàn)證了這種偏離主要來(lái)源于內(nèi)在非平衡。內(nèi)在非平衡效應(yīng)的存在使得高分子表面測(cè)得的非平衡TgTgne)小于平衡TgTgeq),并且表面附近Tg空間分布也逐漸由指數(shù)梯度轉(zhuǎn)化為線性梯度(如Fig.2B所示),與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。內(nèi)在非平衡效應(yīng)可以用于解釋很多無(wú)法解釋的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象:如降溫或升溫速率越慢,聚合物超薄膜薄膜(如10 ~ 50 nm)的Tg與本體值差別越大;聚合物超薄膜分子弛豫時(shí)間的溫度依賴性在溫度略低于Tgbulk時(shí)即偏離VFT方程而更接近Arrhenius關(guān)系;聚合物薄膜中的兩個(gè)Tg現(xiàn)象等。模擬結(jié)果進(jìn)一步表明,內(nèi)在非平衡效應(yīng)產(chǎn)生于表面非平衡密度梯度。


Fig. 2Simulation results revealing intrinsic nonequilibrium effects on near-surface τ(z) of long-chain films. (A) Segmental relaxation time τ vs. inverse temperature for various segmental layers at different distances z/σ from the surface (σ is the length scale of the bead-spring potential). The dotted lines represent the low-temperature cutoff for inclusion of equilibrium relaxation time data and τ = tANN,max = 106. The curved lines show fits of the data to an established model for equilibrium dynamics. (B) Normalized alteration gradients of Tgeq and Tgne relative to bulk for systems with tANN,max = 105 and 106. The solid line shows a fit of Tgeq (z) to an exponential gradient form to the Tgeq data, while the dotted lines represent linear fits to the surface region.


  該工作揭示了一種特殊的非平衡效應(yīng)——內(nèi)在非平衡效應(yīng)對(duì)表面分子弛豫行為以及表面鏈段運(yùn)動(dòng)能力空間梯度分布的重要影響。利用該非平衡效應(yīng)可以解釋很多原先無(wú)法解釋的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,并為理解玻璃化的本質(zhì)提供了新的視角和證據(jù)。該成果以“Mixed equilibrium/nonequilibrium effects govern surface mobility in polymer glasses”為名發(fā)表于PNAS PNAS, 2024, 121(41), e2406262121),浙理工化學(xué)與化工學(xué)院徐健荃特聘副教授為文章第一作者,碩士生李麗為第三作者,David S. Simmons教授, Ophelia K. C. Tsui教授和王新平教授為通訊作者。該工作受到國(guó)家自然科學(xué)基金的資助和支持,特此感謝。


  論文鏈接:www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2406262121


  課題組網(wǎng)頁(yè)https://www.chem.zstu.edu.cn/gfzclbjmsys.htm

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