高分子研究的案例
南開大學孫平川研究員課題組綜述：固體核磁共振技術在高分子表征研究中的應用
特別是通過表征和揭示復雜高分子體系中的多尺度結構與動力學，在解決諸如動態鍵驅動的交聯網絡結構演化和玻璃化轉變機理等挑戰性科學問題中實現新的突破，將為構筑高性能高分子材料和發展高分子物理理論不斷提供新的認識。
該綜述即將在《高分子學報》“高分子表征技術專題”（doi: 10.11777/j.issn1000-3304.2020.20254）印刷出版, 南開大學化學學院王粉粉博士后和孫平川研究員為通訊作者。
原文鏈接：
http://www.gfzxb.org/article/doi/10.11777/j.issn1000-3304.2020.20254
來源：高分子學報
相關進展
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中科院長春應化所陳全研究員團隊：流變技術在高分子表征中的應用：如何正確地進行剪切流變測試
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展開 西北工業大學田威教授系統評述：超分子拓撲高分子的合成、組裝及功能
超分子聚合物是超分子科學和聚合物科學的交叉研究方向。與傳統的共價型聚合物不同，由非共價鍵作用（如：多重氫鍵、π-π堆積、金屬配位和主客體作用等）形成的超分子聚合物，具有動態可逆的本質和刺激響應性等物理化學性質。具有特定拓撲形態的超分子聚合物可稱為超分子拓撲高分子，其結合了非共價鍵的動態可逆特性和共價型拓撲高分子的結構特點與性質。超分子拓撲高分子的合成策略靈活多樣，不同構筑基元、拓撲結構和非共價鍵等可以呈現出不同的組合形式，極大地豐富了超分子聚合物的物種。超分子拓撲高分子還可以進一步自組裝形成不同形貌的聚集體，例如：膠束、囊泡、納米線、納米管和二維/三維結構等。由于動態可逆特性和特定功能基元的存在，超分子拓撲高分子自組裝體具有刺激響應等特性，因此有望在生物醫藥、光電器件和自修復材料等領域得到廣泛應用。
超分子拓撲高分子的研究方興未艾，建立新的理論機制和合成方法，發展組裝新結構和組裝新方法，實現其在特定應用領域的特有價值，仍然是本領域的重要發展方向和前沿研究課題。
西北工業大學田威教授課題組
應邀系統地評述了超分子拓撲高分子的最新進展。首先重點強調了利用直接或間接方法來構筑超支化、樹枝狀、星形、刷形、交聯型和環形等超分子拓撲高分子的策略，其次從內部結構參數和外部環境響應兩方面介紹了調控超分子自組裝行為的主要方法，然后對其在生物醫用材料、光電活性材料以及自修復材料等領域的潛在應用進行了較為全面的總結，最后指出了超分子拓撲高分子研究領域目前存在的關鍵問題和重要挑戰。
展開 高分子納米復合材料的研究進展
高分子納米復合材料的研究進展
摘要：闡述了高分子納米復合材料的發展研究現狀及高分子納米復合材料的制備方法、結構性質和性能，同時介紹了高分子納米材料的表征技術及應用前景。
關鍵詞：高分子；納米材料；復合材料；制備；表征；應用
1、引言
納米材料科學是一門新興的并正在迅速發展的理、膠體化學、配位化學、化學反應動力學和表面、界面科學等多種學科,在實際應用和理論上都具有極大的研究價值,所以成為近些年來材料科學領域研究的熱點之一, 被譽為“21世紀最有前途的材料”[ 1 ,2 ]。高分子納米復合材料是近年來高分子材料科學的一個發展十分迅速的新領域。一般來說，它是指分散相尺寸至少有一維小于 100 納米的復合材料。這種新型復合材料可以將無機材料的剛性、尺寸穩定性和熱穩定性與高分子材料的韌性、可加工性及介電性質完美地結合起來，開辟了復合材料的新時代，制備納米復合材料。已成為獲得高性能復合材料的重要方法之一。
高分子材料科學的涉及非常廣泛,其中一個重要方面就是改變單一聚合物的凝聚態,或添加填料來實現高分子材料使用性能的大幅提升。因此納米粒子的特異性能使其在這一領域的發展過程中順應了高分子復合材料對高性能填料的需求, 對高分子材料科學突破傳統理念發揮重要的作用。納米材料科學與高分子材料科學的交融互助就產生了高分子納米復合材料[3]。
2、高分子納米復合材料的制備
高分子納米復合材料的涉及面較寬,包括的范圍較廣,近年來發展建立起來的制備方法也多種多樣[4、6 ],可大致歸為四大類:納米單元與高分子直接共混,在高分子基體中原位生成納米單元;在納米單元存在下單體分子原位聚合生成高分子及納米單元和高分子同時生成。
展開 西工大顧軍渭教授《Research》：導熱高分子復合材料界面熱障重要研究成果
高分子材料由于輕質、高比強度/比模量、易成型加工、優良的化學穩定性和低成本等，常被用于能源、電氣/電器和電子領域中。但其本體導熱系數低（λ在0.18～0.44 W/mK之間），無法適應有機太陽能電池、儲能材料、特高壓輸電設備和大功率LEDs等電子、電氣設備及元器件高效快速的導/散熱要求。
西北工業大學化學與化工學院顧軍渭教授“結構/功能高分子復合材料”（SFPC）課題組長期聚焦本征高導熱高分子的設計合成以及導熱高分子復合材料的可控制備及內稟機理研究。近5年來，在**重點項目、國家自然科學基金、陜西省自然科學基礎計劃杰出青年基金項目和廣東省基礎與應用基礎研究基金重點項目等的資助下，SFPC課題組系統開展了本征高導熱高分子的設計合成、新型異質結構填料的優化制備、導熱填料的表面功能化改性，以及導熱高分子復合材料的制備調控、導熱模型構建和導熱機理研究，并基于本征導熱、共混復合和外場誘導成型加工，“基體-界面-填料”的熱傳輸性質以及“分子鏈-導熱通路-導熱性能”本構關系研究，制備出多種導熱高分子復合材料及制品，完善和發展了其導熱機理。
展開 
中科院合肥研究院田興友研究員團隊提出一整套利用小角X射線散射表征高分子片晶新方法
近期，中科院合肥研究院固體所高分子與復合材料研究部田興友研究員團隊在提出高分子片晶體系小角X射線散射新理論的基礎上，提出一整套新的高分子片晶表征方法，可快速準確地獲得高分子片晶厚度、長周期和橫向尺寸等重要信息，相關成果發表在IUCrJ(IUCrJ, 2021, DOI: 10.1107/S2052252521003821)和CrystEngComm (CrystEngComm, 22, 3042 (2020))上。
與小分子不同，高分子鏈在結晶時會折疊形成片晶，并進一步組裝成片晶簇。片晶厚度、長周期和橫向尺寸是表征高分子片晶結構的重要物理量。掌握這些物理量對于理解高分子結晶機理以及晶體結構與熱力學性能之間的關系有著至關重要的作用。小角X射線散射(SAXS)是表征納米尺寸結構的有力手段。然而，高分子片晶體系的小角散射機理至今未有準確的闡釋，這嚴重阻礙了利用該強大工具精準獲得這些重要物理量。
傳統理論認為，高分子材料對X射線的吸收很少，其小角散射仍可以用運動學衍射理論來描述。但這樣的假設給計算實際片晶體系的散射帶來極大的麻煩。高分子體系片晶厚度通常是不均一的，改變任意兩個不同厚度的片晶在片晶簇中的位置會改變整個片晶簇的散射。由于對片晶分布和排列次序的敏感性，實際中很難對其散射強度給出解析。
圖 1.
展開 寧波材料所陳濤研究員課題組《ACS Nano》：基于智能多色熒光高分子水凝膠的仿生變色皮膚研究
Sci.綜述：形變高分子水凝膠：從記憶到驅動
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展開 GPC與APC：誰更適合于高分子材料分子量測試分析
PART 04
四、APC與GPC的測試差異
1、光刻膠分子量測試
流動相：四氫呋喃；分別用ACQUITY的APC模式與GPC進樣模式測試，結果如下：
樹脂A樣品的GPC（上）和APC（下）RI圖譜。
光刻膠樹脂通常呈現多分散的分子量分布，而傳統凝膠滲透色譜（GPC）在低分子量區域分辨率不足，難以準確識別低聚物組分。
通過上述對照，同一濃度的同一樣品，使用APC檢測具有以下優勢：
1）低分子量段的優良分離度，各出峰對稱性好，可用工作站精準積分
2）更高響應值
3）保留時間更短，測試速度更快
4）可以將分子量在300-2000之間的低聚物，按照聚合度的不同，精準分離，對研究低聚物的分布更有參考意義
5）APC測試可獲得更好的重復性，RSD%在1以下
PART 05
五、分子量的應用
1. 在塑煉時分子量分布的變化（檢測橡膠）
在塑煉過程中定時取樣分析，結果如圖，隨時間的增加，高分子量組分裂解增加，GPC曲線向低分子量方向移動，經過25min以后，高分子量組分幾乎完全消失。如果塑煉的目的就是消除該組分，那么25min足夠了。通過GPC數據可以幫助工作人員確定塑煉時間。
2. 控制聚合反應的終點
對聚合物進行中間反應分析，使生產人員能在達到預定的單體/聚合物比后即時中止反應。
3. 高分子材料老化過程研究
可以研究高分子材料在使用過程中的老化；多數聚合物加工時，必需加適量抗氧劑。
PART 06
六、測試注意事項
1. RID檢測器其靈敏度不太高，所以試樣的濃度不能配置得太稀。但另一方面色譜柱的負荷量是有限的，濃度太大易發生“超載”現象。
展開 復旦大學唐萍課題組近期研究進展：締合高分子的線性粘彈性--分子理論與模擬
高分子科技?會及時推送，并同時發布在中國聚合物網上。
歡迎加入微信群 為滿足高分子產學研各界同仁的要求，陸續開通了包括高分子專家學者群在內的幾十個專項交流群，也包括高分子產業技術、企業家、博士、研究生、媒體期刊會展協會等群，全覆蓋高分子產業或領域。目前匯聚了國內外高校科研院所及企業研發中心的上萬名頂尖的專家學者、技術人員及企業家。
Sci.》綜述:層狀高分子刷設計及其生物醫學應用研究新進展
近日，中科院長春應化所殷敬華研究員、欒世方研究員課題組與內蒙古大學董阿力德爾圖教授合作，基于該課題組在醫用層狀高分子刷及相關領域中的前期研究積累（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2014, 6: 1971; Biomacromolecules, 2016, 17: 1696; ACS Appl. Mater. Interfaces, 2016, 8: 24471; ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017, 9: 40930; ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, 12: 425761），總結了近年來層狀高分子刷的最新研究進展，尤其在層狀高分子刷體系的創新設計、功能拓展、性能優化及其生物醫學應用方面進行了系統綜述與展望。
圖1. 層狀高分子刷的典型結構及優勢
高分子刷接枝是一類重要的表面改性技術。其中層狀高分子刷將不同性質接枝鏈段分布在不同空間層中，是一類具有層次化結構特征的獨特高分子刷體系。該綜述系統地比較了構建層狀高分子刷的可控活性聚合技術，評述了典型的雙層結構及其表征方法。層狀高分子刷呈現的精細結構及獨特的性能，可實現多功能的集成和協同、性能的提升以及刺激響應轉變等特點，在抗菌、生物傳感、再生醫學、腫瘤診斷和治療等生物醫學領域得到了重要應用。
圖2. 層狀高分子刷表面在生物醫用領域應用
為了快速拓展層狀高分子刷在生物醫用領域應用，該綜述最后強調應加強如下四個方面的研究工作。
展開 干貨：高分子領域常用的分析手段梳理
同時，在表征聚合物分子間的相互作用如相容性·、氫鍵等，高分子材料的表面和界面以及高分子材料發生的反應等等，紅外光譜分析也是一種方便快捷的手段。
4. 凝膠滲透色譜分析（GPC）
凝膠滲透色譜主要應用于高分子材料和蛋白質的分離，可用來分離相對分子質量從幾百萬到100這樣的一個寬相對分子質量范圍的分子。
由于高分子材料的物理性質與其平均相對分子質量積相對分子質量分布密切相關，所以凝膠滲透色譜成了一個快速鑒定聚合物高、低相對分子質量成分的唯一的分析工具。凝膠滲透色譜能用作表示聚合物之間差別的一種定性工具，或用作計算聚合物的平均相對分子質量和相對分子質量分布的一種定量工具。關于凝膠色譜在高分子材料的生產及研究工作中的應用可概括為以下四點：
a.用于高聚物生產過程中中聚合工藝的選擇，聚合反應機理的研究以及控制和監視聚合過程；
b.在高聚物材料的加工及使用過程中用于研究相對分子質量及相對分子質量分布與加工使用性能的關系，助劑在加工和使用過程的作用以及老化機理的研究；
c.用于分離和分析高聚物材料的組成、結構、以及高聚物單分散試樣的制備；
d.用于小分子物質方面的分析，如在石油及表面涂層工業方面的應用等。
5. 核磁共振分析（NMR）
核磁共振分析作為一種工具在高聚物研究中應用甚廣，如相對分子質量測定、組成分析、動力學過程、結晶度、相變等。但最為突出之處，是對高分子材料分子鏈的立體規整性、鏈節不同取向的銜接（如頭-頭、頭-尾鍵接等），鏈節序列分布及微結構的確定。
展開 高分子材料前沿研究成果精選
結合對這些雜合超分子證實的對人結腸上皮細胞缺乏細胞毒性，研究人員提出了在生物醫學應用中抗多種藥物耐藥性細菌的潛在作用，例如針對與小腸感染相關的疾病。
文章鏈接: Polyphenol-Binding Amyloid Fibrils Self-Assemble into Reversible Hydrogels with Antibacterial Activity（ACS Nano，2018, DOI:10.1021/acsnano.7b08969）
10、Adv. Mater.：水性聚氨酯的設計與合成
水性聚氨酯（WBPUs）由于其多功能特性和環保性質而在各種工業應用中引起越來越多的關注。盡管已經對WBPU合成進行了廣泛的研究，但一些關鍵合成組分的作用仍不清楚。近日，麻省理工學院的Robert Lange和Soo‐Young Kang（共同通訊）等人通過系統地控制和微調前體組成和反應條件，合成了300多個WBPU。這項研究使得管理WBPU物理化學性質的幾個關鍵組分的角色以及最終確定潛在的WBPU應用成為可能。以頭發造型為例，證明只有具有最佳性能范圍（例如，楊氏模量> 150MPa，斷裂伸長率：15-300％，吸濕率<10％）的WBPU才能實現強烈的造型性能。為了進一步改善最終定型產品的天然感覺感官效果，將許多具有不同碳鏈長度或不飽和度的脂肪酸并入WBPU中。在研究的十種脂肪酸中，亞油酸被確定為最優選的添加劑。體外和體內測試表明，具有最佳性能的WBPUs是用于開發具有自然感覺的強度高、持久性好的最有前景的造型產品材料。
文章鏈接：Design and Synthesis of Waterborne Polyurethanes (Adv.
展開 
高分子合成材料護欄底座的研究
隨著社會的進步，城市對于市容市貌的要求會越來越高，人們已經不滿足于簡單的把人行道和機動車道簡單的隔離，而是在滿足這些基本的要求后，更加注重商品的美觀及對城市整體形象的影響度，以往的[url=http://www.czbailianhl.net/]護欄底座，[url=http://www.czbailianhl.net/]護欄基座基本是以鑄鐵、鐵皮、水泥等材料制造而成，這些[url=http://www.czbailianhl.net/supply/xhldz/]護欄底座（護欄基座）的缺點在于時間稍長就會生銹、油漆脫落、抗撞擊力差等，常州百煉交通設施有限公司開發的高分子[url=http://www.czbailianhl.net/supply/qita/hldz/]護欄底座，填補的國內的市場空白，并獲得國家專利，高分子合成材料復合護欄底座是有SMC高分子材料一次性模壓而成，具有美觀、耐用、抗壓性好，不生銹、免維護等功能，是替代鑄鐵護欄底座的最佳產品，公司電話：051981583765，另外常州百煉交通設施有限公司生產的[url=http://www.czbailianhl.net/supply/gjhp/]高架花盆，[url=http://www.czbailianhl.net/]護欄配件等相關配套產品也獲得了技術進步獎，高架花盆主要運用于城市綠化、高架花草種植等領域，具有免維護、自動蓄水、不宜破損等功能，產品上市以來收到了廣大消費者的一致好評,[url=http://www.czbailianhl.net/supply/dlzj/]電纜支架是一種新型的合成材料制成的替代鑄鐵支架的產品，有效的解決了電纜支架生銹、容易脫落、易導電、易被盜等問題，廣泛的運用于高速公路、橋梁、隧道、窨井、下水道等工程。
展開 技術研究 | 液體高分子材料導熱系數測試技巧
4、可行性研究
主要儀器：LFA467激光閃射導熱儀。
（1） 測試實施過程：
A. 試樣制備及測試
輸入利用密度計測量的粘體密度的平均值作為測量密度值，并利用激光閃射法測試樣品的熱擴散系數。
圖6 測試樣品示意圖
B. 測試結果數據擬合分析
據測試溫升曲線顯示（如圖7閃所示），觀測溫升曲線與擬合溫升曲線的重現性較好，可選用激光閃射法進行導熱測試。
圖7 測試的溫升擬合曲線
表3 不同三層模型擬合液體熱擴散系數結果
實驗結果表明：
1） 液體的熱擴散系數測試結果標準偏差為4.3%，而激光閃射儀測量擬合誤差為±5%，在誤差范圍內，說明利用激光閃射法測試液體的導熱系數結果是可取的。
2） 選用三層的擬合模型需要考慮正面和背面的熱損失，采用“三層+脈沖修正”模型擬合熱擴散系數的不確定度低，質量越高，水平越高，其結果可信度比三層絕熱模型擬合的高。此外，通過R2擬合結果說明其計算范圍越寬，擬合模型對于測量總體變差的解釋程度就越高。因此，需要在測試液體熱擴散系數時選用“三層+脈沖修正”模型。
案例分析
從測試結果和擬合數據可以看出，儀器本身自帶的樣品框和測試結果分析軟件可以滿足對液體導熱系數測試的需求，保證了測試結果的穩定性，而且激光閃射導熱儀的測試溫域寬、周期短等特點可有效地提高測試效率。
經驗與建議
對于激光閃射法導熱系數的測試，需要充分利用儀器測試材料適應性廣的特點，從自帶軟件中選用合適的計算模型，進行測試方法開發來滿足業務需求。
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展開 技術研究 | 霍普金森桿在高分子復合材料動態力學性能中的應用
目前工程材料的工作環境往往涉及到爆炸、高速沖擊、切削、高溫、高應變率等極端條件，此時材料的動態力學性能是人們非常關心的一個重要問題。這類載荷作用時間一般較短(微秒乃至納秒)、沖擊強度高,足以引起大變形乃至破壞，所以研究材料在沖擊載荷作用下的力學性能具有重要的工程意義。
一般情況下材料的準靜態的應變率在10-5~10-2 s-1之間，其動態沖擊的高應變率往往在102 ~104 s-1之間，甚至會達到106 s-1(應變率即應變變化的速率，指單位時間產生的應變)。一般材料在準靜態和沖擊載荷下的力學性能存在著較大的差異，即應變率相關性，隨著應變率的增加，慣性效應與研究對象的物理性能（應變率效應）分離開來。下表為各種加載方式所能滿足的加載應變率范圍以及對應力波的影響。
目前，在高應變率沖擊測試中，人們普遍使用的是Hopkinson(霍普金森)桿，霍普金森裝置，英文簡稱 SHP(T)B，應變率范圍 102～104。
SHPB實驗裝置圖
SHPB 實驗的基本原理建立在二個基本假定的基礎上，即一維假定(又稱平面假定)和應力均勻假定。一維假定認為應力波在細長桿的傳播過程中，彈性桿中的每個橫截面始終保持為平面狀態；應力均勻假定認為應力波在試件中反復 2～3個來回，試件中的應力處處相等。由此可利用一維應力式中 C0、A、E、A0、L 分別為彈性桿的波速、橫截面積、彈性模量、試件的橫截面積及原始長度．由此得到試件的動態應力、應變、應變率隨時間變化趨勢，進而在時間尺度上得出三者之間的對應關系。
展開 從高分子物理到合成生物學的金帆研究員：生命科學急需抽象的數學定理
來源：生輝SynBio
作者：鄭集楊
有這樣一位研究人員，他本科畢業于應用化學系，博士獲得的是高分子物理的學歷，而在 2011 年回國后，他卻轉而從事起了微生物學的相關研究，在此期間，他又得以
與合成生物學結緣
并于 2017 年正式投身到了合成生物學的研究之中。
從高分子物理到微生物再到合成生物學，這一擁有高度交叉學科背景的研究人員，便是來自于中科院深圳先進院合成生物學研究所的
金帆研究員
。
金帆研究員，2002 年 7 月畢業于中國科學技術大學應用化學系，2007 年獲得了香港中文大學高分子物理化學專業的理學博士學位，師從吳奇院士。在回國工作之前，其還分別在伊利諾伊斯州大學香檳分校和 UCLA 開展過博士后的研究。歸國后的2011-2019年，其先在中國科學技術大學擔任教授后于2019年加入到了合成所。
圖丨金帆博士（來源：受訪者提供）
從高分子物理跨向合成生物學，在兩門交叉學科之中進行轉變的過程，金帆切身感受到了這兩門學科在研究基礎框架上的顯著差異：
“高分子物理與生物學在研究上的最大區別，在于高分子物理有著一套
明確的基礎理論框架
，而這個在生物學中是沒有的。從基礎理論框架出發的研究結果是
理性的、可理解的
，而生物學科目前還在現象上疲于奔命。”
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