从光子学到医药学，用聚合物纳米粒子制成的材料有望成为未来的产品。然而，在理解这些类似塑料的微小颗粒的特性方面仍有空白。
现在，特拉华大学化学和生物分子工程专业的研究生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一组科学家合作，发现了关于聚合物纳米粒子的新见解。研究小组的发现，包括表面迁移率、玻璃化温度和弹性模量等特性，发表在《自然通讯》杂志上。
在MPI教授George Fytas教授的指导下，研究小组使用了布里渊光谱学，这是一种通过观察纳米微粒如何振动来研究其分子性质的技术。
“我们分析了每个纳米颗粒之间的振动，以了解它们在不同温度下的机械性能变化，”Kim说。“我们问，‘不同温度下的振动表明了什么?’”物理意义是什么?’”
聚合物纳米颗粒的特性不同于同一材料中较大颗粒的特性。“它们的纳米结构和小尺寸提供了不同的机械性能，”Kim说。“为了提高材料的性能，了解纳米颗粒的热行为是非常重要的。”
以聚苯乙烯为例，它是纳米技术中常用的一种材料。这种材料的较大颗粒用于塑料瓶、杯子和包装材料。
金说:“在玻璃化温度下，聚合物纳米颗粒可以变得更柔韧或更弱，在玻璃化温度下，它们会从坚硬的质地变软，随着颗粒尺寸的减小，它会逐渐变软。”这在一定程度上是因为聚合物在小颗粒表面的流动性很容易被激活。了解这种转变发生的时间和原因是很重要的，因为一些产品，如滤膜，在各种条件下需要保持坚固。
例如，一个用聚苯乙烯聚合物制成的一次性塑料杯可能在沸水中保持住，但那个杯子没有纳米颗粒。研究小组发现，聚苯乙烯纳米粒子在343开尔文(158华氏度)，即软化温度下开始经历热跃迁，温度低于纳米粒子的玻璃跃迁温度372 K(210华氏度)，刚好低于沸水的温度。当加热到这个温度时，纳米颗粒不会振动——它们完全静止不动。
Kim说，这是以前从未见过的，研究小组发现了证据表明，这种温度可能会激活纳米颗粒中高度流动的表层。随着颗粒在软化温度和玻璃化温度之间升温，颗粒间的相互作用越来越大。其他研究小组以前曾怀疑，由于颗粒的流动性不同，玻璃化温度随颗粒尺寸的减小而降低，但他们无法直接观察到。
“使用不同的方法和仪器，我们分析了不同温度下的数据，并实际验证了聚合物纳米颗粒表面的某些东西比其核心更具有移动性，”他说。
通过研究纳米颗粒之间的相互作用，研究小组还发现了它们的弹性模量或刚度。
接下来，Kim计划利用这些信息来制造一种纳米粒子薄膜，这种薄膜可以控制声波的传播。
Eric Furst, UD化学与生物分子工程系教授兼系主任，也是本文的通讯作者。
“Hojin在这个项目上领先，取得的成果超出了我的预期，”Furst说。“他是特拉华大学(Delaware)博士工程学研究领域的杰出代表，我迫不及待地想知道他接下来会做什么。”
——文章发布于2018年10月8日
