高分子流體：揭秘日常用品背後的神奇科學_風聞
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撰文 | 盧宇源（中國科學院長春應用化學研究所研究員）、安立佳（中國科學院長春應用化學研究所研究員、中國科學院院士）
高分子流體，聽起來有些抽象。然而，無論是我們日常生活中用到的塑料、橡膠、纖維，還是工業生產中的各種高分子及其複合材料，其生產、加工與成型都需要理解和應用高分子流體的流動與變形性質，即流變性質。高分子流體在不同的實驗或加工條件下，會展現出令人驚歎的複雜多樣的流變行為。那麼，這些現象背後隱藏着怎樣的科學原理呢？本文將通過一系列有趣的例子，帶大家深入瞭解高分子流體的奧秘，揭示高分子流體背後的神奇科學。
高分子流體的種類
高分子是由許多重複單元（單體）組成的長鏈化合物，通常也被稱為聚合物。例如，我們可以將乙烯分子連接在一起，形成一個非常長的分子，這就是聚乙烯。而高分子流體是高分子在温度遠高於其玻璃化轉變温度或固化時的一種特定狀態，包括高分子熔體和溶液。由於高分子流體同時具有粘性和彈性的特徵，並且表現出複雜多樣的流變行為，因此它成為了高分子物理乃至高分子科學基礎研究的經典模型體系；高分子流體流變學也成為了高分子材料加工與成型的學科基礎。
根據高分子鏈拓撲結構的不同（如圖1所示），可以將高分子分為線形高分子、環形高分子、支化高分子、超支化高分子等[1-3]。每種類型的高分子都具有獨特的流變學和物理特性，這使得它們在不同領域具有各自的應用。
（1）線形高分子是由重複單元線性連接組成的化合物，它是一類最常見的高分子，具有良好的可加工性。例如：線形聚乙烯具有非常高的柔韌性和可塑性，因此被廣泛應用於工程管道、塑料袋、保鮮膜等工業和生活用品中。
（2）環形高分子則是由重複單元形成環形閉合結構的高分子，沒有末端。在微觀尺度下環形高分子的流動行為對外界環境的變化非常敏感，也就是説，具有“小刺激、大響應”的特點，同時還具有獨特的溶液性質（如：特性黏度），這使得環形高分子在微觀和納米尺度流體動力學研究中具有重要的應用價值。
（3）支化高分子是一類具有許多側鏈的特殊高分子，與一般的線形高分子相比，支化高分子擁有一系列獨特的優點。我們可以通過調整側鏈的數量和位置來靈活調節其性能，由此製備出各種具有不同特性的材料，以滿足不同應用的需求。當側鏈較短時，支化高分子具有較高的熔融流動性，這使其在加工過程中更容易塑性變形，從而創造出複雜的形狀和結構，因此支化高分子被廣泛應用於生產兒童玩具等塑料製品。另一方面，如果側鏈較長，支化高分子的分子結構將變得錯綜複雜，從而使其能夠更好地抵抗酸鹼和其他化學物質的腐蝕和溶解，表現出良好的耐化學腐蝕性能，這就使長鏈支化高分子成為一種理想的包裝材料。
（4）超支化高分子是支化度更高的一類高分子，具有更復雜的空間結構和更多的分子鏈支化點[4-6]，其中樹枝形高分子（Dendrimer）是一種具有完美結構的特殊超支化高分子。這種複雜的鏈拓撲結構賦予了超支化高分子更優異的性能，如：較高的強度、彈性、耐摩擦性、優異輸運性等，這使超支化高分子在潤滑劑、膠粘劑、塗料、藥物載體，甚至輪胎胎面膠等領域具有廣泛的應用。
結構決定性質，性質決定用途
“結構決定性質，性質決定用途”，這是材料科學家通常遵循的準則。為了進一步改善和擴展高分子材料的性能，科學家們主要採用共聚和共混的方法（如圖2所示）[2, 7]。
共聚是指兩種或更多種重複單元在一定的流體狀態條件下進行聚合反應，形成具有複合性質的共聚物。例如：丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（即ABS塑料），是一種常用的高性能工程塑料。其中，丙烯腈（A）賦予材料優異的耐熱性和耐化學腐蝕性能，丁二烯（B）的加入使得材料具有較好的抗衝擊韌性，而苯乙烯（S）則增加了材料的硬度和剛性，從而使該材料被廣泛應用於汽車、電子、家電、建築等領域。
共混則是將兩種或多種不同的高分子在流體狀態下混合在一起，形成一種具有優異綜合性能的材料。這種共混材料製備簡便且能夠結合不同高分子的性能特性，因此它們有更豐富的應用領域，而且還有相對廉價的優勢。
從上面的介紹可以看出，高分子流體的不同類型和結構賦予了高分子材料各自獨特的流變學特性和物理性能。通過合理設計和改性，科學家們不斷探索和開發新的高分子材料，為我們的生產、生活和科技進步提供了更多可能性。
典型的流變學現象
在基礎研究中，研究人員會設計各種實驗來表徵高分子流體的流變學現象，以深入瞭解高分子流體的非線性流變行為和機制。以日常生活中最常見的一類高分子材料——塑料為例，我們來了解一下高分子流體的典型流變學現象。
塑料是一種由高分子製成的可塑性物質，它們在加熱的過程中可以變得柔軟而易於成型，而在冷卻後會變得堅韌[1, 2]。這種可塑性正是由於高分子流體在不同温度下具有不同的流變行為所致。加熱後，當柔軟的塑料受到外力作用時，其中的高分子鏈會迅速發生運動，導致材料整體產生塑性變形；而當外力去除後，它還會部分回彈（甚至完全回彈），高分子鏈又會恢復到原來的狀態。若在外力去除前快速降温，塑料將保持當前的形狀且變得堅韌；若再快速升温，塑料還會回彈，使得它具有較強的“記憶效應”。
日常生活中另一種常見的高分子材料是橡膠。它具有出色的彈性和耐用性等特殊性質，被稱為“彈性體” [2]。一方面，因為它的玻璃化轉變温度較低，常温下可以被看作一種特殊的高分子流體；另一方面，因為它具有獨特的高分子結構和交聯性質，又可以被看作是一種特殊的高分子固體。交聯性質是指橡膠分子鏈之間通過化學鍵或物理交聯點相互連接形成的三維網絡結構。這種交聯結構賦予了橡膠材料快速恢復原狀的能力，並且使其具有較高的抗拉、抗壓和抗磨損能力。正是由於交聯性質的存在，橡膠材料能夠適應各種複雜的應力環境，例如在輪胎、運動鞋底、橡膠管和密封件等領域發揮重要作用。
最常見的橡皮筋就是一種高度交聯化的高分子流體。儘管人們通常把它視為固體，但其內部的分子鏈段在常温下仍可以像液態水分子一樣發生相對自由的熱運動，這也是橡膠材料與小分子材料的顯著區別。當我們快速拉伸一根橡皮筋時，會出現一個有趣的現象：肉眼可以看出橡皮筋上有許多絨毛。這一現象可以通過高分子鏈的層狀滑移來解釋：當外力拉伸橡皮筋時，高分子鏈會被拉伸；同時高分子鏈之間的交聯點也會受到拉伸力的作用。然而，由於交聯點的不均勻性，導致一些交聯點比其他交聯點更容易移動，進而一些鏈段會滑動到與拉力垂直的方向上，形成了絨毛狀結構，這種層狀滑移的現象是源於拉伸過程中的能量重新分佈所致。然而，只要橡皮筋沒有被拉伸得過長，也就是説高分子鏈沒有被拉斷，那麼當外力消失時，高分子鏈會重新恢復到原來的狀態，橡皮筋也就恢復如初。事實上，無論是運動鞋橡膠底的回彈性，還是汽車輪胎的抓地力，都離不開橡膠中高分子鏈的特殊運動和形變。
高分子流體應用潛力巨大
高分子流體的研究不僅對基礎科學發展具有重要意義，還在許多應用領域展現出巨大的潛力。在材料科學領域，研究高分子流體的流變行為對於改進材料的製備方法和實現性能調控具有重要意義。通過深入瞭解高分子流體的行為，人們能夠優化合成材料的工藝，提高材料的強度、韌性、耐候性以及熱學和電學性能。例如：吉林大學和蘇州大學等的研究人員利用動態可逆鍵為材料和器件賦予了出色的力學性能、可修復性能和耐化學腐蝕性能等優異特性[8-10]。
高分子流體在生物醫藥領域也具有重要應用意義。例如：斯坦福大學的研究人員開發了一系列仿生材料，用於組織工程和醫療器械等領域。其中，她們研製了一種能夠更大程度上模擬天然皮膚的人造皮膚[11, 12]，這種人造皮膚在受到外力作用下能夠迅速回彈或癒合，可以更好地感知周圍環境的變化，在醫療領域可以用於治療燒傷、創傷以及皮膚移植手術等，加速患者的癒合過程，減輕其痛苦。
高分子流體還在其他諸多應用中展現出了驚人的潛力，比如：3D打印、納米技術、柔性電子等。高分子流體的研究成果將推動工業進步和新技術的發展，從而為人們的生產、生活帶來更多的便利和福祉。
高分子流體研究面臨的挑戰
由於複雜的鏈結構和鏈運動以及流動條件下的非線性響應，高分子流體的基礎研究也面臨着一些嚴峻挑戰。例如：高分子流體的“應變局域化”現象是一個被國際學術界廣泛關注和爭論的問題。所謂應變局域化，是指宏觀均勻的結構出現了非均勻的應變，甚至斷裂的現象；在一定條件下，應變局域化會導致高分子材料的力學性能發生“雪崩式”衰減。因此，從分子水平上證實其存在性並揭示其機理對科學研究和材料開發都有着重要意義。
近年來，大規模計算機模擬成為揭示高分子流體複雜流變行為和分子機理的重要手段。中國科學院長春應用化學研究所與美國加州理工學院合作，成功證實了高分子流體典型的應變局域化現象——“宏觀流動（熔體破裂）”與“剪切帶”（見圖3）的存在，並揭示了相應的分子機理[13, 14]。吉林大學開發了GPU加速的分子動力學模擬軟件GALAMOST，該軟件可以快速模擬高分子流體中分子鏈的運動過程，為研究工作者提供了強大而有效的工具[15]。除了計算機模擬，還有一些研究致力於開發獨立於商用軟件的仿真平台，以解決特定領域面臨的挑戰。例如：吉林大學和中國科學院長春應用化學研究所合作，開發了一套獨立自主、具有底層技術的航空輪胎綜合性能仿真數字設計平台[16-18]，可以在複雜工況下快速準確地求解輪胎的本構關係，這種數字設計軟件可以為航空輪胎設計提供關鍵的技術支撐。
小結
高分子流體作為一種特殊的物質存在狀態，展現出令人驚歎的流變性質。從塑料袋、橡皮筋到合成纖維，高分子材料為我們提供了各種實用的解決方案，帶來諸多生活上的便利。實際上，高分子流體的應用前景十分廣闊，如：為解決能源和環境問題提供了新的思路，為仿生材料和藥物傳輸開闢了新的可能性，等等。這些都離不開對高分子流體流變性能的掌握。在研究機理方面，計算機模擬和仿真軟件將成為解決高分子流體複雜流變行為的有力工具。隨着這些技術的不斷發展和應用，人們對高分子流體的認識將愈發深入，在科學和工程領域必定會發揮更高的價值。
參考文獻
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