化學和生物分子工程學教授查爾斯施羅德(左， Charles Schroeder音譯)和研究生周月城（Yuecheng Zhou音譯）發現，作為個體的單個聚合物是如何發生共同作用，使合成材料具有粘度和強度等宏觀特性。
圖片來自：Brian Stauffer L.
研究人員表示，製作合成材料的聚合物在壓力加工後需要時間來消除應力（弛豫）。一項新的研究發現溶液中的長鏈聚合物有兩種不同的弛豫速率，這標誌著基本聚合物物理學取得了新的進步。這些發現將幫助人們更好地理解高分子材料的物理性質，並對預測單個聚合物分子在高應力加工條件下的反應提供重要的理論支持。
這項發表在“物理評論快報”上的研究成果有助於提高製造合成材料的工藝水平，並在生物學、機械和材料科學以及凝聚態物理學中得到應用。
伊利諾伊大學化學與生物分子工程教授兼貝克曼高級科學技術學院教員的Charles Schroeder說：“聚合物在我們的單分子實驗中通常表現出非常明顯的“個人主義”行為，在纏結聚合物溶液中無法解釋這種驚人的異相動力學特性。我們研究的一個主要目的是瞭解單個聚合物之間是如何協同工作，最終展現出材料的宏觀特性，如粘度和韌性。”
研究人員使用一種稱為單分子熒光顯微鏡的技術，可以實時觀察單個聚合物分子在聚合物製造過程中經拉伸、拉和擠壓後的弛豫情況。Schroeder說：“想象一下，這好比觀察一碗煮熟的意大利麵，儘管整碗麵是混合的，我們也能觀測到其中一根麵條的運動情況。”
合著者兼研究生周月城(Peter)表示：“我們發現這些聚合物表現出兩種截然不同的弛豫模式。一組聚合物在弛豫過程中保持單一的指數衰減速率，而另一組則表現出明顯的階段性。第二組聚合物先經歷非常迅速的初始收縮，然後才是緩慢地弛豫。實驗結果出乎人們意料地證明存在兩種不同的聚合物群，使用經典理論不會預測到這種現象。”
研究人員表示，這項研究與具有高分子量的DNA有關，因為DNA是其他類型合成有機聚合物的理想模型。
Schroeder說：“我們選擇DNA作為我們的聚合物模型，因為它的分子非常大，而且鏈足夠長，可以在顯微鏡中成像。它們的重量也是相同的，這為我們的數據分析工作提供了一個非常簡潔、定義明確的計算環境。”
研究者發現，隨著纏結聚合物溶液中聚合物濃度的增加，表現出階段性弛豫行為的分子亞群所佔的百分比也在增加。
周月城說：“我們不清楚為什麼單模弛豫或快速弛豫模式似乎與濃度有關，但它可能與增強的間聚物摩擦有關：聚合物越多，它們產生相互作用的機會就越大，偏離平衡的幾率也會增大。我們正與伊利諾伊大學的理論科學家們合作，希望能更好地解釋單模和雙模弛豫現象。”
這個團隊成員很高興能幫助我們理解複雜的流體的流動情況，以及它們的成型情況和製造的信息，其中包括聚合物在高壓力環境中的弛豫情況，例如用於三維打印的流體。
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