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研究人员使用带电聚合物组装材料 防止车窗玻璃结冰

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58京牌 ,软物质存在于许多日常物质中,如食物、化妆品和身体细胞。这些微小的软性材料的结构由各种相互作用决定,其中之一是静电相互作用。埃因霍温科技大学( TU/e)的博士生Christian Sproncken利用静电相互作用,将软材料组装成由带电聚合物链组成的各种结构。这些材料可用于光子微芯片的响应性涂层,或用于能防止汽车挡风玻璃或飞机机翼结冰的材料。

(图片来源:埃因霍温科技大学)

带相反电荷的分子互相吸引。利用这种吸引力构建的材料具有有趣的特性。这种吸引力的基础在于静电相互作用,这种相互作用不仅是可逆性的,而且可以通过改变溶液的性质进行调节,如盐浓度或pH。使用带相反电荷的两种聚合物,通过静电相互作用控制聚合物的共组装方式,可以制造各种材料。

这个世界是柔软的

Sproncken在由Ilja Voets领导的自组织软物质实验室完成其研究。他表示:“世界上到处都是软材料。想想化妆品或人体细胞中的长链聚合物。当然,这些结构由更小的单元构成,比如乳剂或短链聚合物。真正有趣的是,这些单元可以以不同的方式组合在一起,制成新材料。”

在研究过程中,Sproncken主要感兴趣的是,如何将带相反电荷的聚合物结合起来,以组装适合不同应用的新材料,例如可重复编程光子材料的涂层,以及具有抗冻能力的材料。

这项研究展示,静电共组装的聚合物基软物质系统,具有广泛应用的潜力。

材料

首先,Sproncken将基材浸在一些含有聚电解质的溶液中,以制备软材料涂层。聚电解质是具有电解质或带电基团的聚合物。根据溶液的酸度(pH值),所产生聚合物网状物会发生膨胀和塌陷。“通过操作这一暴露过程,可能会制造出一种干聚合物薄膜,其孔隙率可能非常低或非常高。这种材料的折射率取决于材料的孔隙率,因此成为光子学应用的理想材料。”

实际上,Sproncken等人通过在微芯片上涂覆这种可变孔隙率材料,来制备可重编程光子微芯片。

除冰

对于下一种聚合物组装方法,Sproncken等研究人员在胶束或胶体粒子中加入一种带有聚电解质复合物核的冰结合聚合物。附着不带电荷的聚合物,可防止核生长或或融合成不可控尺寸的大聚合物。

当这种特殊聚合物与冰晶结合时,能够减缓冰晶生长。这将有助于制造相关材料,以防止汽车挡风玻璃或飞机机翼上产生不必要的冰。Sproncken表示:“我们发现这种聚合物被胶束包裹后,仍保持冰结合活性。这使得静电共组装成为一种很有前途的工具,可以作为设计防冰材料的基础。”

计时反应

最后,Sproncken探讨控制溶液中带相反电荷聚合物之间的相互作用的方法。直接混合相反电荷聚合物通常会导致相分离,即聚合物致密相和聚合物稀释相。

为了稳定聚电解质的纳米级结构,Sproncken利用反应网状物(reaction network)来固定聚合物纳米粒子的大小和形状。“这种反应网状物的运作是双重的,可以调节带相反电荷的大分子之间的相互作用,同时将部分链结合到一起。”

未来,这种稳定的纳米粒子可以用作生物医学应用中的纳米载体,这一切都归功于所谓的计时反应,可防止形成大的无法使用的聚合物。

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