玻璃材料表面性質是材料科學與凝聚態物理領域的核心問題之一。近年來的實驗和模擬結果表明：玻璃材料表面并非處于剛性玻璃態，而是由一層數納米厚度的動力學增強的柔性層所覆蓋。這種納米尺度柔性表面更新了對玻璃態材料的傳統認知，促進我們重新審視材料摩擦、磨損、焊接和浸潤等基本界面行為。然而，由于納米尺度表征材料表面機械性能困難，導致表面力學行為及其微觀起源仍不清晰。
近年來，浙江理工大學左彪教授課題組發展了基于界面潤濕力誘導形變測量材料表面力學與弛豫的方法；表征了納米高分子薄膜的彈性-毛細轉變行為（Macromolecules 2024, 21, 10112）、線性粘彈譜（Phys. Rev. Res. 2025, 7, 023226）和表面多尺度動力學（Macromolecules 2025, 18, 9747），發現了高分子鏈在界面限域環境中會形成獨特的瞬時拓撲結構和偽纏結，導致高分子玻璃體表面出現瞬時橡膠態（Nature 2021, 596, 372），并應用于解釋復合材料界面粘接和流變調控等方面（Nature Communications 2025, 16, 9870）。
在本工作中（Macromolecules 2025, 24, 13125），他們進一步拓展這一方法，提出通過分析液滴潤濕力誘導高分子表面產生“潤濕脊”的輪廓來獲得橡膠表面層厚度和彈性模量的方法；他們定義描述“潤濕脊”形變特征的高度（h）和寬度（w）（圖1），基于線性彈性理論模型（公式1），建立了w和h與高分子玻璃體柔性表面厚度（ds）和彈性模量（Ge,s）的定量關系（公式2）；實現了玻璃態高分子表面彈性模量這一基本力學特性的測量。
圖1. 液滴界面潤濕力誘導高分子玻璃體橡膠表面層發生彈性形變示意圖。
如圖2，利用 AFM測量表面潤濕脊的形貌從而獲得了其高度和寬度；將高度和寬度代入公式 2，即可獲得高分子玻璃體橡膠表面層彈性模量和厚度。他們發現，在 T = Tg - 10K 下，聚苯乙烯類高分子玻璃表面層厚度為 2 ~ 5 nm，且橡膠表面層厚度隨著側基尺寸增大而增厚；聚叔丁基苯乙烯（PTBS）> 聚4-甲基苯乙烯（P4MS）> 聚苯乙烯（PS）。此外，由于界面偽纏結的作用，橡膠表面層的彈性模量高于由常規拓撲纏結所定義的橡膠平臺模量的數值（圖 2）。這一方法首次實現了對玻璃態高分子表面彈性模量的測定，并且發現了由于界面偽纏結引起的橡膠表面層模量增大、硬度提高的現象；為我們理解高分子表面力學提供新的視角。
圖2. （a） 不同厚度的聚苯乙烯膜表面層彈性形變的三維形貌圖；實線為線性彈性方程的擬合結果。（b）和（c） 分別為聚苯乙烯類高分子玻璃表面層厚度和彈性模量；Ge,bulk和Ge,s分別為本體材料和表面層的彈性模量。
該工作以“Rubbery Surface Elasticity of Polymer Glasses”為題發表于Macromolecules期刊，相關成果圖片被甄選為當期封面。浙江理工大學化學與化工學院博士生張海洋為第一作者，左彪教授為通訊作者，羅錦添博士為共同通訊作者。該工作受到國家自然科學基金、浙江省自然科學基金的資助，在此表示感謝。
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.5c02057
課題組鏈接：https://zuogroup.zstu.edu.cn/index.htm
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