想想不起眼的轮胎吧，在寒冷的冬日里坐在户外，它像石头一样坚硬，但是当在赛车下旋转时，轮胎会变得非常柔软。对于日常材料，从玻璃到橡胶到塑料，这些行为的基本变化是由玻璃转变温度决定的。对于那些想要制造新型材料的工程师来说，比如耐高温塑料或者柔性玻璃，过渡温度是至关重要。然而，人们对它还没有很好的理解，尤其是在物质分子结构块的水平上——纳米级，只有十亿分之一米大小。在这个微小的领域，工程师需要以前所未有的精度控制过渡温度，以创造具有改变游戏性质的先进材料。
博科园-科学科普：这项工作是戴恩·克里斯蒂(Dane Christie)在普林斯顿大学(Princeton)攻读化学和生物工程研究生期间的重点。克里斯蒂现在是康宁公司(Corning Inc.)的一名材料科学家，在他的博士论文中，他率先开发了一种工具，在纳米尺度上探测过渡温度。尤金?希金斯(Eugene Higgins)化学与生物工程教授理查德?Register和化学与生物工程副教授罗德尼?普里斯特利(Rodney Priestley)在克里斯蒂的项目中担任共同顾问。这两位普林斯顿大学的教授与克里斯蒂共同撰写了两篇论文，分别描述了该工具及其早期发现。
这两篇论文分别发表在《ACS中心科学》(ACS Central Science)和《物理评论快报》(Physical Review Letters)上。这种新工具测量由两种塑料或聚合物组成的物质转变温度。这两种聚合物不能均匀地混合在一起，而是形成富含其中一种或另一种聚合物的区域。这些区域的过渡温度往往与母体聚合物的正常温度不匹配，给纳米材料的设计、制造和部署带来了问题。由于这两种聚合物不容易混合，所以在很小的区域内，每一种组分聚合物的浓度往往相差很大。因此，为了了解聚合物混合物中不同的转变温度，科学家需要在小尺度上精确地测量多个点的浓度。
普林斯顿大学研究人员，包括博士生戴恩·克里斯蒂(Dane Christie)，现在是康宁公司的材料科学家，已经开发出一种在分子尺度上检测聚合物的工具。图片：Corning Inc
普林斯顿大学的工具通过在每个聚合物中添加荧光报告“标签”来选择分子来实现这一点。标签亮度取决于它们所在的分子区域是玻璃状还是橡胶状。通过这种方式，该工具揭示了局部转变温度，提供了对影响这一至关重要的材料行为决定因素深入了解。Register说：长期以来，人们一直在寻找这种空间分辨率的信息，但没有人知道解决这个问题的方法，因为我们没有能够在纳米尺度上测量过渡温度的机械探测器。现在我们已经演示了这种方法，我们和该领域的其他人可以利用它或在此基础上研究其他复杂的聚合物系统。
Register和Priestley提出了克里斯蒂论文项目的总体构想，这是普林斯顿复杂材料中心跨学科研究小组提案的一部分，Priestley是该中心的副主任。在初步确定了他们想让他研究的聚合物体系后，克里斯蒂开始着手研究。他在实验室中创造了各种聚合物，对它们的分子结构进行了表征，并进行了荧光测量。克里斯蒂说：我合成了大量的聚合物，为了完成这项研究，我必须合成了60多种独特的聚合物结构。Christie在Register实验室进行聚合物合成工作，在Priestley的实验室进行材料表征。
在整个项目中，Register和Priestley通过一对一和小组会议的方式，密切地为Christie提供建议，在他的研究工作开始对纳米结构聚合物化学提供重要见解时，合作指导他。Register说：我们每个人都将知识和优势带到合作中，嵌段共聚物合成和表征方面的矿，荧光测量和玻璃化转变方面的棒。该模型系统由PMMA和PBMA两种聚合物组成。前者是一种丙烯酸玻璃，商标为有机玻璃，而后者用于油漆和心血管支架。研究人员之所以选择这些特殊的聚合物，是因为它们的转变温度存在巨大差异：PMMA的转变温度为105摄氏度(221华氏度)，PBMA的转变温度为20摄氏度(68华氏度)。
这个大的分界使得跃迁温度扰动更容易观察和量化。此外，这两种物质的化学组成使得具有感光分子的特殊聚合物单元可以放置在物质链状结构中的任意位置。这种有针对性的方法使克里斯蒂能够对混合聚合物内部的转变温度进行荧光测量报告。当借助于计算模型进行分析时，测量结果揭示了两种聚合物相互作用的内部机理。正如ACS中心科学论文中所示，每个聚合物的单个分子在其转变温度中不仅受到其不同的局部浓度的影响，还受到它们与不同浓度区域的邻近性和化学键连接的影响。
《物理评论快报》的论文进一步完善了这一点。在后续的研究中，Christie将荧光标签挂在远离两个分子区域界面的聚合物链上，测试了近度与实际连接的影响。研究表明，后一种附着机制对过渡温度的影响更为显著。明尼苏达大学(University of Minnesota)化学工程与材料科学教授蒂莫西·洛奇(Timothy Lodge)在美国化学学会(ACS)《中心科学》(central science)上发表的一篇评论文章中写道：
玻璃化转变对基础理论具有抵抗性，在实验中定义也不明确，但在许多过程和应用中都处于核心地位，它代表着聚合物科学中一个持久的挑战。通过先进的合成技术和精确的实验，克里斯蒂、Register和普里斯特利报告了第一次直接测量转变温度作为纳米结构聚合物材料内部位置的函数。这项研究工作为更广泛的进一步研究打开了大门。这样的研究可以集中在更好地理解和改进常见的填充聚合物，比如组成橡胶轮胎的聚合物。
其他前进的道路包括设计基于纳米复合材料的有前途的新材料，这些材料可能对应力表现出极端的灵活性或弹性。其他应用还包括设计用于燃料电池、先进电池和水处理的人工膜。虽然系统使用了特定的标签和聚合化学，但一般的方法并不仅限于此，开发并成功实施的方法现在可以应用于具有实际意义的复杂聚合物体系。
博科园-科学科普｜研究/来自:普林斯顿大学/Adam Hadhazy
参考期刊文献:《物理评论快报》
DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.247801
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