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西安交大科研人员在高聚物及其纳米复合材料 三维空间高聚物结晶形态的演变机理取得重要进展

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高聚物材料中约2/3的为结晶性高聚物,其可形成丰富多彩的结晶形态,如球晶、横晶、串晶等;这些结晶形态强烈地影响着高聚物制品的力学性能、光学性能等;因而,高聚物结晶形态的解析及其形成机理的认知是高分子物理的重要研究内容之一,同时对高聚物制品的工业生产也有重要的指导意义。但是,目前几乎所有的高聚物结晶形态都只能从二维的视角去解析,其在真实三维空间的结构信息一直缺乏直观的实验证据。


为了揭示三维空间中高聚物结晶形态的演变规律,西安交通大学功能软材料创新团队的Goran Ungar教授基于双光子显微成像技术开发了针对高聚物及其纳米复合材料体系的三维成像技术,成功获得了高聚物球晶的三维图像,并且揭示了纳米粒子在结晶性高聚物中的分散状态。通过对等规聚丙烯(iPP)和聚乳酸(PLA)结晶形态的三维成像研究,意外发现静态结晶条件下产生了类似“碗”、“花瓶”、“圣杯”等不同于球晶的结晶形态(如图所示)。这种非球状的结晶形态打破了人们对经典高分子物理中静态条件下高聚物结晶形成球晶的认知,进一步研究揭示了非球状结晶形态源自于薄膜上下表面两球晶的成核和生长,球晶生长前沿“depletion”区域的负压作用产生局部熔体流动,诱导球晶之间产生线状排核,最终生成C¥对称性结晶形态。本工作不仅丰富了高聚物结晶理论,对于高聚物产品的成型加工也有重要指导意义。


近期,该研究成果以“Bowls, Vases and Goblets – The Microcrockery of Polymer and Nanocomposite Morphology Revealed by Two-Photon Optical Tomography”为题发表在Nat. Commun.上。该论文第一作者为西安交大材料学院助理教授杨书桂博士,通讯作者为Goran Ungar教授,西安交大金属材料强度国家重点实验室为本文的第一单位。该研究工作得到了国家自然科学基金委(21674099, 52003215),高等学校学科创新引智计划2.0(BP2018008),中国博士后科学基金会(2021M692515)以及国家留学基金管理委员会(201706240097)的项目支持。


论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-021-25297-w

2021-08-26
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