" class="wp-auto-featured-image wp-post-image" alt="新材料解决三大问题" decoding="async" loading="lazy" srcset=" 1000w, 300w, 768w" sizes="auto, (max-width: 1000px) 100vw, 1000px" />
在一幅模拟图中，含有聚合物纳米颗粒（绿色团块）的聚合物玻璃受到应力作用，直至临近断裂瞬间。颗粒在应力下重新排列，在不同原纤维之间形成交联。这些交联倾向于稳定聚合物，使得向断裂的转变是渐进的，而非突然发生。
被称为亚克力或有机玻璃的塑料，应用于眼镜、水族箱及许多其他产品中，它与类似材料存在共同问题：增强其强度（抗变形能力）通常会使其更脆。而试图降低脆性或提高强度，一般也会增加熔融材料（即“熔体”）的粘度，从而加大加工难度。如今，一组化学家表明，向该材料中添加纳米颗粒，既能提高强度和抗断裂能力，又能降低熔体粘度。该团队希望这一发现能助力更轻松地制造出各类改良的聚合物材料。
中国吉林大学的化学家钱虎军表示，聚合物科学家长期面临这一根本性难题，即强度 – 韧性 – 加工性的 “三难困境”。强度是材料在开始变形前能承受的应力大小，而韧性反映材料在断裂前能吸收的能量，是衡量其在不断裂情况下变形能力的指标。因此，强度高的材料能承受高负荷，但一旦超过极限可能突然失效。相比之下，韧性好的材料能弯曲、拉伸或屈服，吸收能量并延缓断裂，就像橄榄球头盔的外壳或碰撞时变形以保护乘客的汽车。
一些研究人员通过添加由有机分子形成的纳米晶体，成功提高了强度和韧性。在晶体内部，分子形成包含许多纳米级孔隙的刚性网络。当混入聚合物中，这些晶体就像微观筛子。当聚合物链移动时，它们被迫穿过孔隙或与孔隙对齐，这限制了链的流动性。聚合物这种增加的刚性，也使得局部应力能更广泛地在聚合物网络中传递，降低了因集中应力而产生裂纹的可能性。然而，该技术通常会增加熔体粘度，使加工更困难。
钱虎军及其同事的新研究，受二十年前一项发现的启发：如果纳米颗粒不是刚性的，而是具有可变形表面，将其添加到聚合物中可降低粘度。2019年，钱虎军等人通过模拟和实验，解释了该方法奏效的原因：他们表明，聚合物的长链能部分穿透并沿着柔软纳米颗粒粗糙、灵活的表面滑动。在流动的熔体中，这种可变形性使颗粒起到润滑剂的作用，帮助附近的聚合物链段更快解缠，从而降低熔体粘度。
基于这一认识，研究人员更进一步，展示如何利用这种效应改进包括有机玻璃在内的聚合物玻璃这类材料。在实验中，他们使用聚甲基丙烯酸乙酯聚合物，并向其中添加由卷曲单链聚合物制成的纳米颗粒。然后，他们比较了两种此类混合聚合物的性能，一种是简单混合纳米颗粒的聚合物，另一种是通过化学键合（交联）纳米颗粒与基础聚合物制成的聚合物。通过标准测量技术，他们发现这两种方法都提高了强度和韧性。然而，团队惊讶地发现，混合的聚合物混合物还降低了熔体的粘度。
进一步的实验和分子动力学模拟揭示了混合聚合物中更多不寻常的行为。在受应力的聚合物玻璃中，微观原纤维 – 空隙网络会在断裂前形成，这一过程称为银纹化。该过程通常会削弱材料，导致突然的脆性断裂。但在新的混合纳米复合材料中，模拟显示纳米颗粒在拉伸过程中移动，并在原纤维之间形成稳定的交叉连接。结果是更缓慢、平滑和均匀的变形，使塑料在失效前能吸收更多能量。钱虎军说：“这种重新分布似乎使纳米颗粒能够适应局部应力场，有效地延缓银纹化，稳定系统并使其更坚韧。”
中国科学院长春应用化学研究所的聚合物专家江伟表示，这些结果意义重大且令人惊讶。“未来，这对于设计和制备具有平衡刚性和韧性且加工性良好的聚合物材料非常重要，这是聚合物物理中最具挑战性的课题之一。”
马克·布坎南是一位自由科学作家，他在英国阿伯加文尼和法国库尔松圣母镇两地生活。