​0到1！浙江理工Nature

许多新兴材料，如用于手机显示器和OLED电视屏幕的超稳定玻璃，其性能都归功于玻璃-形成液表面流动性增强的梯度。这种表面迁移率增强的发现，重塑了人们对玻璃成形剂的行为以及如何将其制成改良材料的理解。在聚合物玻璃中，由于存在第二长度尺度(聚合物链的大小)以及界面迁移梯度的长度尺度，使这些界面修饰变得复杂。

在此，来自美国南佛罗里达大学的David S. Simmons & 普林斯顿大学的Rodney D. Priestley & 浙江理工大学的左彪等研究者，通过模拟、理论和时间解析表面纳米蠕变实验揭示了这种玻璃状聚合物表面的双尺度特性，即使在由短的、次纠缠链组成的聚合物中，也会导致一种瞬态橡胶状、纠缠状表面行为的出现。相关论文以题为“Mobility gradients yield rubbery surfaces on top of polymer glasses”于2021年08月18日发表在Nature上。

据悉，这是浙江理工大学纺织学科的首篇Nature正刊，实现了从0到1的突破。与此同时，这也是浙江理工大学继7月28日在Nature上发表合作文章之后，又一篇正刊。

在此，研究者为了探究表面聚合物链运动的本质，在聚合物表面放置不混溶的液滴，通过界面润湿获得纳米级表面蠕变。如图1所示，在这种几何结构中，作用于三相线微观区域的法向界面力将聚合物表面向上拉，在液滴周围形成一个明确的润湿脊，其高度d由垂直力和材料柔度D的平衡贡献决定;即d ~D×γ₁sinθ。d随液滴放置时间t的变化反映了聚合物的表面蠕变，即D_t~d_t~t，揭示了聚合物的表面力学。由表面张力引起的应力σ (σ≈γ₁sinθ/w；其中w为脊宽，一般大于10 nm)小于聚苯乙烯的屈服应力，表现为线性粘弹性响应。

模拟、理论和时间分辨表面纳米蠕变实验揭示，这种玻璃状聚合物表面的双尺度性质，甚至在由短、次纠缠链组成的聚合物中，也会导致一种瞬态橡胶状、纠缠状表面行为的出现。

研究者发现这种效应来自于节段动力学和链构象统计的叠加梯度。这种橡胶行为的寿命，将有广泛的影响，限制表面松弛的核心应用，包括摩擦学，附着力，聚合物玻璃的表面愈合，随着材料的冷却延长。在时间-温度叠加(TTS)中，根据聚合物物理和流变学的基本原理，表面层受到普遍破坏。

这一发现，可能需要重新评估预测具有高界面面积的聚合物玻璃的长期性能的策略。研究者预计，这种界面瞬态弹性体效应和TTS击穿通常会发生在界面决定材料性能的材料中，包括从纳米复合材料到薄膜高分子体系。

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图1 润湿脊的形成及其拓扑剖面

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图2 聚合物纳米流变学与表面链动力学

图3 聚合物玻璃表面的TTS失效

图4 ITO结构的单分子ECL成像在未纠缠的聚合物表面出现橡胶动力学

显然，长链和短链聚合物都可以在聚合物玻璃表面扩散，但它们的扩散是由与梯度更深的慢弛豫材料的连接决定的，即使在次纠缠系统中，也会产生一种瞬态类-橡胶的表面行为。因此，这种缓慢、短暂的橡胶表面链动力学的新模式，正是因为表面分段动力学相对于体积加速而出现的。

文献信息

Hao, Z., Ghanekarade, A., Zhu, N. et al. Mobility gradients yield rubbery surfaces on top of polymer glasses. Nature 596, 372–376 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03733-7

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03733-7#citeas

原创文章，作者：Gloria，如若转载，请注明来源华算科技，注明出处：https://www.v-suan.com/index.php/2023/10/12/c0caffb95a/

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