伊利諾伊大學香檳分校Phys. Rev. Lett. 單分子角度揭示纏結高分子流體的異質松弛動力學

【引言】

纏結高分子流體在高分子材料的應用和處理中十分常見，例如對于高分子功能性材料的3D打印等。長鏈線性纏結高分子溶液因為它們結構上獨特的幾何拓撲限制，其物理學和動力學特征長久以來被包括材料科學，凝聚態物理和流變學等眾多領域的科學家們所研究。科學家們在理論和實驗方面對于高分子溶液的平衡態動力學和穩態流變學特征已經有不少成熟的見解，然而在非平衡以及非穩態動力學方面的認識卻依然很欠缺。因此在此項工作中，科學家們從分子層面出發，探求理解高分子流體的新思路。

【成果簡介】

近日來，來自美國伊利諾伊大學厄本那香檳分校（University of Illinois at Urbana-Champaign）材料科學與工程系和化學與生物分子系的Charles M. Schroeder教授團隊在Physical?Review?Letters上發表了題為“Dynamically Heterogeneous Relaxation of Entangled Polymer Chains?”的文章。文章第一作者為博士生Yuecheng?Zhou。在文章中，該團隊運用大分子量DNA作為模型高分子，結合單分子成像技術搭配精確微流控制技術揭示了纏結高分子流體在非線性拉伸流形變后的松弛動力學特征，為解決困擾領域多年的難題提出了新的思路。在文章中，作者指出與傳統理解不同的是高分子溶液在非纏結與纏結的過渡態中，其對于非線性應力的松弛動力學實為異質。即部分分子鏈通過雙模松弛展現出兩種時間尺度：在松弛初始階段表現出的快速鏈收縮和之后通過蠕動模型（reptation?model）的應力松弛，此與Doi-Edwards模型中的預測相符。然而，部分分子鏈則表現出單模松弛并只展現出一種時間尺度，且松弛狀態僅與分子間在纏結溶液中增加的摩擦系數有關。

【圖文導讀】

圖一：單分子成像結合微流控探尋纏結高分子溶液的松弛動力學

1. 對于纏結高分子溶液的拉伸流形變。在拉伸流停止后，單分子的松弛軌跡可被直接觀測；
2. 在纏結DNA溶液中植入部分熒光標記的DNA分子用于直接觀測；
3. 熒光顯微鏡圖片顯示單分子在拉伸流形變后的松弛過程。

圖二：不同溶液濃度下單分子的異質松弛軌跡

1. 不同濃度下單分子的集合平均松弛軌跡，每個集合包含40組以上的單分子軌跡；
2. 單分子松弛軌跡亞群顯示單模松弛和雙模松弛；
3. 單模松弛和雙模松弛隨溶液濃度變化的概率分布。

圖三：纏結高分子溶液的松弛時間與濃度變化的關系

1. 從稀高分子溶液到纏結高分子溶液標準化最長松弛時間與濃度的冪律關系；
2. 纏結高分子溶液中不同尺度松弛時間與濃度的冪律關系。

【小結】

該團隊運用單分子成像和微流控技術，闡述了非纏結到纏結過渡態下的高分子溶液在非線性拉伸流形變后呈現出的異質松弛動力學。定量分析不同松弛時間尺度與濃度的冪律關系揭示了過去不為人所知的單分子亞群的存在。此項工作中的發現為未來纏結高分子流體的理論和實驗發展提供了新的角度，也體現出了單分子技術在材料科學中廣闊的應用前景。

文獻鏈接：Dynamically Heterogeneous Relaxation of Entangled Polymer Chains. (Physical Review Letters 2018, DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.267801)

本文由周星星供稿，材料牛整理編輯。

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