高分⼦流体:揭秘⽇常⽤品背后的神奇科学

作者: 卢宇源、安⽴佳

来源: 返朴

发布日期: 2023-12-16 08:16:51

⾼分⼦流体作为⼀种特殊的物质存在状态,在我们的⽣产、⽣活中⽆处不在。它们既展现出粘性流动的特性,⼜具有弹性形变的能⼒,因此⾼分⼦流体具有复杂多样的流变⾏为。本⽂从基本概念和分类开始,深⼊探究系列流变现象的分⼦机理,最后展望其在应⽤领域的前景,让读者领略这⼀领域的最新进展和重要成果。

⾼分⼦流体作为⼀种特殊的物质存在状态,在我们的⽣产、⽣活中⽆处不在。它们既展现出粘性流动的特性,⼜具有弹性形变的能⼒,因此⾼分⼦流体具有复杂多样的流变⾏为。本⽂将全⾯揭示⾼分⼦流体的奇妙世界,从基本概念和分类开始,深⼊探究系列流变现象的分⼦机理,最后展望其在应⽤领域的前景,让读者领略这⼀领域的最新进展和重要成果。

⾼分⼦流体,听起来有些抽象。然⽽,⽆论是我们⽇常⽣活中⽤到的塑料、橡胶、纤维,还是⼯业⽣产中的各种⾼分⼦及其复合材料,其⽣产、加⼯与成型都需要理解和应⽤⾼分⼦流体的流动与变形性质,即流变性质。⾼分⼦流体在不同的实验或加⼯条件下,会展现出令⼈惊叹的复杂多样的流变⾏为。那么,这些现象背后隐藏着怎样的科学原理呢?本⽂将通过⼀系列有趣的例⼦,带⼤家深⼊了解⾼分⼦流体的奥秘,揭示⾼分⼦流体背后的神奇科学。

⾼分⼦是由许多重复单元(单体)组成的⻓链化合物,通常也被称为聚合物。例如,我们可以将⼄烯分⼦连接在⼀起,形成⼀个⾮常⻓的分⼦,这就是聚⼄烯。⽽⾼分⼦流体是⾼分⼦在温度远⾼于其玻璃化转变温度或熔点时的⼀种特定状态,包括⾼分⼦熔体和溶液。

由于⾼分⼦流体同时具有粘性和弹性的特征,并且表现出复杂多样的流变⾏为,因此它成为了⾼分⼦物理乃⾄⾼分⼦科学基础研究的经典模型体系;⾼分⼦流体流变学也成为了⾼分⼦材料加⼯与成型的学科基础。

根据⾼分⼦链拓扑结构的不同,可以将⾼分⼦分为线形⾼分⼦、环形⾼分⼦、⽀化⾼分⼦、超⽀化⾼分⼦等。每种类型的⾼分⼦都具有独特的流变学和物理特性,这使得它们在不同领域具有各⾃的应⽤。例如:线形聚⼄烯具有⾮常⾼的柔韧性和可塑性,因此被⼴泛应⽤于⼯程管道、塑料袋、保鲜膜等⼯业和⽣活⽤品中。

⾼分⼦流体的研究不仅对基础科学发展具有重要意义,还在许多应⽤领域展现出巨⼤的潜⼒。在材料科学领域,研究⾼分⼦流体的流变⾏为对于改进材料的制备⽅法和实现性能调控具有重要意义。通过深⼊了解⾼分⼦流体的⾏为,⼈们能够优化合成材料的⼯艺,提⾼材料的强度、韧性、耐候性以及热学和电学性能。⾼分⼦流体在⽣物医药领域也具有重要应⽤意义。例如:斯坦福⼤学的研究⼈员开发了⼀系列仿⽣材料,⽤于组织⼯程和医疗器械等领域。

由于复杂的链结构和链运动以及流动条件下的⾮线性响应,⾼分⼦流体的基础研究也⾯临着⼀些严峻挑战。例如:⾼分⼦流体的“应变局域化”现象是⼀个被国际学术界⼴泛关注和争论的问题。近年来,⼤规模计算机模拟成为揭示⾼分⼦流体复杂流变⾏为和分⼦机理的重要⼿段。

中国科学院⻓春应⽤化学研究所与美国加州理⼯学院合作,成功证实了⾼分⼦流体典型的应变局域化现象——“宏观流动(熔体破裂)”与“剪切带”的存在,并揭示了相应的分⼦机理。

⾼分⼦流体作为⼀种特殊的物质存在状态,展现出令⼈惊叹的流变性质。从塑料袋、橡⽪筋到合成纤维,⾼分⼦材料为我们提供了各种实⽤的解决⽅案,带来诸多⽣活上的便利。

实际上,⾼分⼦流体的应⽤前景⼗分⼴阔,如:为解决能源和环境问题提供了新的思路,为仿⽣材料和药物传输开辟了新的可能性,等等。这些都离不开对⾼分⼦流体流变性能的掌握。在研究机理⽅⾯,计算机模拟和仿真软件将成为解决⾼分⼦流体复杂流变⾏为的有⼒⼯具。随着这些技术的不断发展和应⽤,⼈们对⾼分⼦流体的认识将愈发深⼊,在科学和⼯程领域必定会发挥更⾼的价值。

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