伊利诺伊大学香槟分校Phys. Rev. Lett. 单分子角度揭示缠结高分子流体的异质松弛动力学

【引言】

缠结高分子流体在高分子材料的应用和处理中十分常见，例如对于高分子功能性材料的3D打印等。长链线性缠结高分子溶液因为它们结构上独特的几何拓扑限制，其物理学和动力学特征长久以来被包括材料科学，凝聚态物理和流变学等众多领域的科学家们所研究。科学家们在理论和实验方面对于高分子溶液的平衡态动力学和稳态流变学特征已经有不少成熟的见解，然而在非平衡以及非稳态动力学方面的认识却依然很欠缺。因此在此项工作中，科学家们从分子层面出发，探求理解高分子流体的新思路。

【成果简介】

近日来，来自美国伊利诺伊大学厄本那香槟分校（University of Illinois at Urbana-Champaign）材料科学与工程系和化学与生物分子系的Charles M. Schroeder教授团队在Physical Review Letters上发表了题为“Dynamically Heterogeneous Relaxation of Entangled Polymer Chains ”的文章。文章第一作者为博士生Yuecheng Zhou。在文章中，该团队运用大分子量DNA作为模型高分子，结合单分子成像技术搭配精确微流控制技术揭示了缠结高分子流体在非线性拉伸流形变后的松弛动力学特征，为解决困扰领域多年的难题提出了新的思路。在文章中，作者指出与传统理解不同的是高分子溶液在非缠结与缠结的过渡态中，其对于非线性应力的松弛动力学实为异质。即部分分子链通过双模松弛展现出两种时间尺度：在松弛初始阶段表现出的快速链收缩和之后通过蠕动模型（reptation model）的应力松弛，此与Doi-Edwards模型中的预测相符。然而，部分分子链则表现出单模松弛并只展现出一种时间尺度，且松弛状态仅与分子间在缠结溶液中增加的摩擦系数有关。

【图文导读】

图一：单分子成像结合微流控探寻缠结高分子溶液的松弛动力学

1. 对于缠结高分子溶液的拉伸流形变。在拉伸流停止后，单分子的松弛轨迹可被直接观测；
2. 在缠结DNA溶液中植入部分荧光标记的DNA分子用于直接观测；
3. 荧光显微镜图片显示单分子在拉伸流形变后的松弛过程。

图二：不同溶液浓度下单分子的异质松弛轨迹

1. 不同浓度下单分子的集合平均松弛轨迹，每个集合包含40组以上的单分子轨迹；
2. 单分子松弛轨迹亚群显示单模松弛和双模松弛；
3. 单模松弛和双模松弛随溶液浓度变化的概率分布。

图三：缠结高分子溶液的松弛时间与浓度变化的关系

1. 从稀高分子溶液到缠结高分子溶液标准化最长松弛时间与浓度的幂律关系；
2. 缠结高分子溶液中不同尺度松弛时间与浓度的幂律关系。

【小结】

该团队运用单分子成像和微流控技术，阐述了非缠结到缠结过渡态下的高分子溶液在非线性拉伸流形变后呈现出的异质松弛动力学。定量分析不同松弛时间尺度与浓度的幂律关系揭示了过去不为人所知的单分子亚群的存在。此项工作中的发现为未来缠结高分子流体的理论和实验发展提供了新的角度，也体现出了单分子技术在材料科学中广阔的应用前景。

文献链接：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，材料牛整理编辑。

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