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南京大學胡文兵教授課題組 Macromolecules: 分子鏈打結如何影響結晶成核
2024-04-30  來源:高分子科技
  長鏈高分子很容易打結形成拓撲紐結(knot)結構,最常見的是三葉結。目前紐結影響高分子結晶的機制并不清楚。在國家自然科學基金項目資助下,南京大學胡文兵教授課題組利用動態蒙特卡洛分子模擬方法,將鏈兩端限制在空間兩側平面避免自發的解開紐結,系統地研究了三葉結對單鏈、本體和應變誘導高分子結晶的影響,如圖1所示。 


圖1:單個三葉結(a對單鏈(b)、本體(c)和應變誘導(d)高分子結晶的影響。圖中粉紅色為打結部分,藍色為非晶鍵,黃色為結晶鍵,紅色為約束在兩側平面內的鏈端基。


  分子模擬結果發現在結晶之前,無序的單鏈紐結較為松散,而熔體高分子的紐結較為緊湊,這可歸因于本體鏈相互穿插所帶來的鏈單元體積排斥作用屏蔽效應。單鏈體系的結晶成核主要發生在紐結內部并被紐結環鏈的受限作用所加速,如圖2所示。而本體體系的結晶成核更多地發生在紐結外部,并被較短的可結晶鏈段所抑制,如圖3所示。以上兩種相反的影響效果都說明了紐結顯著地影響了鏈內結晶成核。紐結外發生結晶會進一步抽緊該紐結,與de Genness的理論預測一致。以鏈間成核為主的應變誘導結晶的對照結果顯示其受到紐結的影響很小,如圖4所示。 


圖2:(a)含有不同三葉結數目高分子單鏈體系的降溫結晶曲線,顯示紐結提升結晶溫度,加速結晶;(b)含有單個三葉結單鏈降溫結晶后的等溫熔融曲線,占比84.3%的紐結內結晶具有較高的熱穩定性。 


圖3:(a)含有不同三葉結數目熔體高分子降溫結晶曲線,顯示紐結降低結晶溫度,抑制結晶;(b)等溫結晶半結晶時間隨溫度變化進一步證明紐結抑制了熔體結晶動力學。 


圖4:(a)含有不同三葉結數目熔體高分子應變誘導結晶曲線,顯示紐結對應變誘導結晶影響很小;(b)應變誘導結晶的起始應變隨溫度變化受紐結影響很小。


  這項工作揭示了分子鏈打結主要影響了形成折疊鏈片晶和球晶的鏈內結晶成核,但對加工過程的取向場中形成纖維晶的鏈間成核影響很小。本文的相關成果發表在最新Macromolecules網站上。文章的第一作者是博士生顏進旭


  文章鏈接:https://doi.org/10.1021/acs.macromol.3c02643 

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(責任編輯:xu)
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