Nature子刊：研究人员揭开聚合物纳米粒子间的奥秘

图中箭头表示UD研究人员研究的粒子的振动活动，图表显示了这种振动的频率

聚合物纳米粒子制成的材料性能优异，在光子学、药物等方面都有巨大的应用潜力，未来有望在材料领域大放异彩。然而人们对于这些微小的塑料颗粒性质方面的理解仍存在差异。

日前，特拉华大学化学和生物分子工程博士研究生Hojin Kim与德国马克斯普朗克聚合物研究所，普林斯顿大学和特伦托大学的合作科学家团队发现了有关聚合物纳米颗粒性状新的见解，包括表面活动性、玻璃化转变温度和弹性模量等特性，研究成果发表于《Nature Communications》杂志。

在MPI教授George Fytas的指导下，团队使用了布里渊光谱学技术，通过检查微观纳米粒子的振动方式来研究它们的分子特性。

Kim说：“我们想知道不同温度下的振动表明什么？它的实际意义是什么？于是分析了每个纳米粒子之间的振动，以了解它们在不同温度下的机械性能如何变化。”

以聚苯乙烯(PS)为例，它的纳米颗粒常用于纳米技术,较大颗粒用于制造塑料瓶、杯子和包装材料。Kim说：“聚合物纳米粒子在玻璃化转变温度下更柔韧、强度更弱，粒径越小，质地越柔软。这是因为小颗粒表面的聚合物迁移率很容易被激活。重要的是要知道何时以及为何发生这种转变，有助于设计不同性能的产品。因为像过滤膜类的产品，在暴露于各种条件下时都需要保持强度。”

例如，用较大PS颗粒材料制成的一次性塑料杯盛装沸水，水中可能会有PS的残留。研究小组发现PS纳米粒子在343开尔文（158华氏度）时开始热转变，称为软化温度，玻璃化转变温度为372 K（210 F），略低于开水的温度。当加热到这一点时，纳米颗粒不会振动 - 它们完全静止。

Kim表示：“这种现象以前还从没见过，团队发现这种温度可能会激活纳米粒子中高度流动的表面层。随着颗粒再软化温度和玻璃化转变温度之间升温，颗粒彼此相互作用越来越多。此前有其他研究小组曾猜测由于颗粒迁移率的差异，玻璃化转变温度随着颗粒尺寸的减小而下降，但是他们无法直接观察到这种现象。”

他讲道：“我们使用不同的方法和仪器分析了不同温度下的数据，证实了聚合物纳米粒子表面上有一些东西比其核心更具移动性。”通过研究纳米粒子之间的相互作用，该团队还发现了它们的弹性模量或刚度与粒子之间的关系。接下来，Kim计划利用这些信息构建一个可以控制声波传播的纳米粒子薄膜。

UD的化学和生物分子工程系教授兼主席Eric Furst也是该论文的通讯作者。Furst高性的说道：“Hojin在这个项目上取得了领先，取得的结果远超我的预期。他体现了特拉华州博士工程研究的卓越成就，我迫不及待地想看看他接下来会做什么。”