溫敏聚合物的單分子力譜研究

《溫敏聚合物的單分子力譜研究》是依託西南交通大學，由崔樹勛擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：溫敏聚合物的單分子力譜研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：崔樹勛
• 依託單位：西南交通大學

項目摘要

溫敏聚合物是一個已有40多年研究歷史的傳統課題，但因為其體系的複雜性，仍有許多重要的科學問題尚未解決。當前，幾乎所有的集群實驗方法（ensemble measurements）都已被用於研究溫敏聚合物。大量的研究實踐證明，集群實驗方法和單分子實驗方法是優勢互補的。然而，目前關於溫敏聚合物的單分子研究鮮見報導，特別是溫敏聚合物在LCST之上的單分子力學在國際上基本是空白領域，相關研究亟需加強。本項目將在單分子層次上研究溫敏聚合物與水分子的相互作用，並以此為切入點，嘗試解決相關的科學問題，如溫敏聚合物的溫度回響機理和溫敏聚合物單鏈在塌縮時的做功能力等問題。我們將以基於原子力顯微鏡的單分子力譜方法系統的研究溫敏聚合物，探測各種實驗條件（如溫度、拉伸速率、鹽種類及濃度）下各種溫敏聚合物的單分子力學性質，以逐步形成完整的溫敏聚合物實驗資料庫，並以此為基礎，力爭解決有關溫敏聚合物的科學問題。

結題摘要

本項目以單分子力譜為主要的研究手段，系統研究了若干溫敏聚合物的單鏈力學，獲得了一些有意義的結果。 （1）聚（N-異丙基丙烯醯胺）（PNIPAM）的最低臨界溶解溫度（LCST）約為32 oC，然而單分子力譜結果表明，PNIPAM在約34 oC才開始表現出單鏈力學上的變化。其原因可能為，先前的研究沒有對PNIPAM鏈施加外力，屬自由轉變；而力譜實驗需對高分子鏈施加顯著的外力，高分子在此條件下屬非自由轉變，因此其轉變溫度會有顯著升高。 （2）發現了在水中PNIPAM單鏈力學性質的溫度依賴性。在35 oC時拉伸PNIPAM單鏈，再升溫到40 oC，PNIPAM單鏈將發生約4%的收縮，並對外做功。也即，PNIPAM可實現單分子層次的從熱能到機械能的轉換，因此PNIPAM單鏈可當作一種單分子熱機，有望將來套用於納米器件。 （3）聚（N, N-二甲基丙烯醯胺）（PDEAM）與PNIPAM有基本一致的LCST。然而我們發現，PDEAM的單鏈力學性質沒有溫度依賴性。其原因是，PDEAM側鏈上的N原子沒有活波氫，導致PDEAM不能形成鏈內和鏈間氫鍵，進而使得PDEAM受熱塌縮形成的微球不夠緊實，在微弱外力（小到AFM無法檢測到）的拉伸下，此微球結構即被破壞。此對比研究表明，高分子側鏈結構的細微變化可導致其單鏈力學性質的顯著差異，而用傳統方法無法觀察到這種差異。 （4）發現PNIPAM的單鏈彈性有甲醇濃度依賴性，在甲醇濃度發生改變時可收縮做功，據此可設計另外一種單分子器件。 （5）通過對系列具有C-C主鏈結構的高分子單鏈的力譜研究，我們發現在非極性溶劑中，這些高分子均表現出一致的單鏈彈性，儘管其側鏈有顯著的差異。利用量子力學計算得出的單鏈彈性，以及Kuhn鏈段0.154 nm，可以通過FJC模型給出完美的擬合曲線。因此這一彈性是具有C-C主鏈結構的高分子單鏈的本徵彈性。研究結果表明，高分子側鏈的尺寸在通常的情況下，對其本徵彈性的影響可忽略不計。 上述研究結果已發表SCI論文5篇。在國內外學術會議上做邀請報告5次。目前還有部分研究正在進行之中，取得結果後將及時匯報。