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  高分子材料作為現(xiàn)代工業(yè)的基石，在實(shí)際應(yīng)用中長(zhǎng)期面臨“強(qiáng)度-韌性-加工性”三者難以兼顧的經(jīng)典難題。在傳統(tǒng)認(rèn)知里，材料強(qiáng)度的提升往往伴隨著韌性的降低，而力學(xué)性能的優(yōu)化又常常以犧牲加工性為代價(jià)，這一矛盾極大限制了高分子材料的應(yīng)用潛力。

圖1. 高分子材料“強(qiáng)度-韌性-加工性”三難困境

  近日，吉林大學(xué)錢虎軍教授團(tuán)隊(duì)在該領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。該工作結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究與分子動(dòng)力學(xué)模擬，利用單鏈納米粒子（Single-chain nanoparticles, SCNPs）在高分子基質(zhì)中的單鏈拓?fù)錁?gòu)象效應(yīng)，成功實(shí)現(xiàn)了高分子材料在強(qiáng)度、韌性與加工性能間的協(xié)同優(yōu)化。相關(guān)研究成果以“Single-Chain Nanoparticles Break the Strength-Toughness-Processability Trilemma in Polymer Glasses”為題，發(fā)表于物理學(xué)權(quán)威期刊《Physical Review Letters》，并獲編輯推薦（據(jù)悉該期刊僅有1/6文章獲此推薦），同時(shí)被“Physics Focus”專題評(píng)述及《New Scientist》報(bào)道。

圖2. Physical Review Letters編輯推薦信、“Physics Focus”專題評(píng)述及《New Scientist》報(bào)導(dǎo)

  Physics Focus專題評(píng)述鏈接：https://physics.aps.org/articles/v18/162

  NewScientist報(bào)導(dǎo)鏈接：https://www.newscientist.com/article/2497683-nanoparticles-may-be-the-secret-ingredient-in-making-ultimate-plastics/

  該策略采用“塑料增韌塑料”的創(chuàng)新思路，通過(guò)聚苯乙烯類SCNPs與高分子基質(zhì)的簡(jiǎn)單物理共混（bPNC），同步提高了材料的強(qiáng)度（提高約20%）、韌性（提升約一倍）與加工性（黏度下降50%）。

圖3. SCNPs對(duì)高分子復(fù)合材料的性能調(diào)控

  透射電子顯微鏡（TEM）、紅外光譜（IR）及差示掃描量熱儀（DSC）的多項(xiàng)測(cè)試結(jié)果均證實(shí)，SCNPs在高分子基質(zhì)中呈現(xiàn)均勻分散狀態(tài)，直接表明與傳統(tǒng)“橡膠增韌塑料”通過(guò)構(gòu)建雙連續(xù)相的增韌策略不同。熱力學(xué)分析進(jìn)一步揭示，SCNPs的引入可提高材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。同時(shí)，結(jié)合動(dòng)態(tài)熱力學(xué)分析（DMA）與掃描電子顯微鏡（SEM）表征，直觀地觀察到bPNC表現(xiàn)出典型的韌性斷裂特征，為其優(yōu)異的力學(xué)性能提供了直接證據(jù)。

圖4. bPNC的多維度實(shí)驗(yàn)表征

  分子動(dòng)力學(xué)模擬進(jìn)一步揭示了其內(nèi)在機(jī)制：材料強(qiáng)度的提高源于高內(nèi)聚能SCNPs對(duì)復(fù)合體系焓相互作用的調(diào)控。而韌性的大幅提升，則得益于SCNPs在拉伸過(guò)程中發(fā)生動(dòng)態(tài)重組，誘導(dǎo)基質(zhì)鏈沿拉伸垂直方向重新排列，從而有效延緩裂紋擴(kuò)展。同時(shí)，該增韌策略展現(xiàn)出廣泛的普適性，在聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚甲基丙烯酸乙酯（PEMA）、聚苯乙烯（PS）與聚氯乙烯（PVC）等通用高分子材料中均能有效增韌。該研究不僅深化了高分子材料學(xué)科在復(fù)合體系方面的認(rèn)知，更為未來(lái)高性能材料的設(shè)計(jì)與開發(fā)提供了新思路。

圖5. SCNPs對(duì)高分子復(fù)合材料性能調(diào)控的機(jī)制研究

  吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院超分子結(jié)構(gòu)與材料全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張雷博士研究生與張旭澤博士為論文共同第一作者，吉林大學(xué)錢虎軍教授與清華大學(xué)楊振忠教授為共同通訊作者。

  該項(xiàng)目得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃與國(guó)家自然科學(xué)基金的資助。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1103/nm5z-2hxm