唧唧堂名校科研介绍2014-10-31 5:20 PM

极微颗粒融化后呈现果冻状



聚合物和胶体等已知微粒会随气温升高而融化,这一事实并不令科学家感到意外。但再稍微提高温度的话,这些微粒将重新凝固。新形成的固态物质中聚合物将吸附在胶体中并使之相互粘合,就像果冻一样。这一发现为开发 “智能材料”提供了新线索,即一种能以新形式适应环境的新锐材料,它能不断提升3D打印的细节。研究主要作者兼纽约大学博士生Lang Feng表示,这些研究结果揭示了不仅能利用温度来设计材料性质,还能利用一系列方法操控最微颗粒来设计材料性质的潜能。这项将显示在《Nature Materials》杂志上的研究揭示了著名的Goldilocks 原则,即更易在中间区间而非极限处发现成功这一原则并不一定适用于最微粒子。该研究集中于聚合物和胶体,两者分别为十亿分之一和百万分之一米的大小。


油漆,牛奶,玻璃

作为一系列消费者产品的基础,这些材料和它们的形态极大引起了科学家的关注。例如,胶态分散体涵盖了许多日常用品,如油漆,牛奶,明胶,玻璃,陶瓷,以及例如先进工程领域中的光电转向灯。通过更好地理解聚合物和胶体的形态,科学家们能潜在利用这些颗粒并开发出新型改良材料,这些潜能目前尚未被开发或仍处于相对初级的形式。

在自然材料的研究中,研究人员检查了从室温至85℃温度范围中的聚合物以及更大的胶体晶体。在室温下,该聚合物充当着冲击这些更大颗粒的气体,并给这些颗粒加压,使他们在相互间距离不足容纳聚合物时能相互结合在一起。实际上胶质经过该过程形成晶体,即排空相互作用,这是一种有吸引力的熵力,或者说一种聚合物随机运动最大化和可达空间范围最大化所导致的动态。晶体受热后仍会和通常一样融化,但如果再继续加热的话,它们则会重新凝固成更柔韧且比晶体更开放的固体。研究人员观察到的这一结果体现了焓吸引力,即由较高温度产生的附着能量并能刺激颗粒之间的粘合。相比之下,在中间温度时,条件过热无法适应熵力,而对产生焓吸引力来说条件又过冷。现就职于ExxonMobil的高级研究员Lang指出,这一发现可能在3D打印领域蕴涵极大潜力。当前这种技术能从二维层创建3D结构。然而所得结构的本质相对简陋。通过增强粒子在微观层面上的操纵性,这些机器能够比当前技术创造出更细致逼真的物体。

美国国家科学基金会,NASA和美国能源部为这项工作提供了资助。


英文报道:

TINIEST PARTICLES MELT AND THEN TURN INTO ‘JELL-O’


论文原文:

作为熵和焓吸引力比拼结果的聚合物胶体混合物的可重入固化, 2014年10月19日发表于《Nature Materials》

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