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研究人员揭示了软材料在分子水平上对变形的反应

在设计下一代软材料之前,研究人员必须首先了解它们在快速变化的变形过程中的表现。在一项新的研究中,研究人员用新开发的实验室技术挑战了先前关于聚合物行为的假设,该技术在分子水平上测量聚合物流动。

这种方法可能会导致新的生物医学,工业和环境应用的设计 - 从有助于血液凝固的聚合物到更有效地从井中提取石油和天然气的材料。

研究人员表示,了解材料如何对变化的流动进行分子反应的机制对于开发高质量的材料至关重要,并且为解释和描述这些属性定义一个框架几十年来一直困扰着科学家。

“当聚合物材料 - 合成或生物学 - 变形时,它们会在宏观和分子尺度上发生反应,” 伊利诺伊大学 化学和生物分子工程 教授,新研究的主要作者西蒙罗杰斯说 。“两种反应尺度之间的关系很复杂,到目前为止,很难描述。”

研究人员表示,以前的研究试图用数学方法来描述聚合物变形的微观和宏观行为之间的关系,但是无法将物理学与任何明确的微观结构观察联系起来。

“在我们的研究中,我们想要测量聚合物在变形过程中的结构和机械性能,直接揭示出独特机械性能的起源,”研究生和研究合着者Johnny Ching-Wei Lee说。“我们认为最好尝试使用直接观察来解释复杂的物理学。”

在实验室中,研究人员同时通过结合传统工具测量宏观水平的应力和变形,采用称为中子散射的技术,在分子尺度上观察结构,同时测量多尺度变形。

团队意外发现了一些事情。

“通过同步中子散射和流量测量,我们能够直接将结构和机械性能与毫秒级的时间分辨率相关联,”研究报告的共同作者,国家标准与技术研究中心研究员Katie Weigandt表示。中子科学。“这种方法已经导致了对各种纳米结构复杂流体的基本理解,并且在这项工作中,验证了制造聚合物流量测量的新方法。”

“之前的研究已经假设宏观尺度上应用的变形量是微观尺度下软材料的变形量,”Lee说。“但是我们研究中的中子散射数据清楚地表明,可以恢复的变形很重要,因为它决定了宏观流动方面的整体反应 - 这是以前未知的。”

研究人员表示,这一发展将有助于纠正聚合物研究中几个鲜为人知的现象,例如聚合物在三维印刷过程中膨胀的原因。

“我们已经提出了我们所谓的结构 - 财产 - 处理关系,”罗杰斯说。“这种微妙但却根本不同的聚合物行为思维方式总结了我们所认为的一种简单而美丽的关系,我们期望这种关系具有相当大的影响力。”

该研究为软凝聚物的长期挑战提供了重要见解,该团队表示,既定的结构 - 性质 - 加工关系可以为软材料提供新的设计标准。

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