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 化學(xué)和生物分子工程學(xué)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(fā)現(xiàn)，作為個體的單個聚合物是如何發(fā)生共同作用，使合成材料具有粘度和強(qiáng)度等宏觀特性。

圖片來自：Brian Stauffer L.

研究人員表示，制作合成材料的聚合物在壓力加工后需要時間來消除應(yīng)力（弛豫）。一項(xiàng)新的研究發(fā)現(xiàn)溶液中的長鏈聚合物有兩種不同的弛豫速率，這標(biāo)志著基本聚合物物理學(xué)取得了新的進(jìn)步。這些發(fā)現(xiàn)將幫助人們更好地理解高分子材料的物理性質(zhì)，并對預(yù)測單個聚合物分子在高應(yīng)力加工條件下的反應(yīng)提供重要的理論支持。

這項(xiàng)發(fā)表在“物理評論快報”上的研究成果有助于提高制造合成材料的工藝水平，并在生物學(xué)、機(jī)械和材料科學(xué)以及凝聚態(tài)物理學(xué)中得到應(yīng)用。

伊利諾伊大學(xué)化學(xué)與生物分子工程教授兼貝克曼高級科學(xué)技術(shù)學(xué)院教員的Charles Schroeder說：“聚合物在我們的單分子實(shí)驗(yàn)中通常表現(xiàn)出非常明顯的“個人主義”行為，在纏結(jié)聚合物溶液中無法解釋這種驚人的異相動力學(xué)特性。我們研究的一個主要目的是了解單個聚合物之間是如何協(xié)同工作，最終展現(xiàn)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(shù)，可以實(shí)時觀察單個聚合物分子在聚合物制造過程中經(jīng)拉伸、拉和擠壓后的弛豫情況。Schroeder說：“想象一下，這好比觀察一碗煮熟的意大利面，盡管整碗面是混合的，我們也能觀測到其中一根面條的運(yùn)動情況。”

合著者兼研究生周月城(Peter)表示：“我們發(fā)現(xiàn)這些聚合物表現(xiàn)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(shù)衰減速率，而另一組則表現(xiàn)出明顯的階段性。第二組聚合物先經(jīng)歷非常迅速的初始收縮，然后才是緩慢地弛豫。實(shí)驗(yàn)結(jié)果出乎人們意料地證明存在兩種不同的聚合物群，使用經(jīng)典理論不會預(yù)測到這種現(xiàn)象。”

研究人員表示，這項(xiàng)研究與具有高分子量的DNA有關(guān)，因?yàn)镈NA是其他類型合成有機(jī)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?yàn)樗姆肿臃浅４螅益溩銐蜷L，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(shù)據(jù)分析工作提供了一個非常簡潔、定義明確的計算環(huán)境。”

研究者發(fā)現(xiàn)，隨著纏結(jié)聚合物溶液中聚合物濃度的增加，表現(xiàn)出階段性弛豫行為的分子亞群所占的百分比也在增加。

周月城說：“我們不清楚為什么單模弛豫或快速弛豫模式似乎與濃度有關(guān)，但它可能與增強(qiáng)的間聚物摩擦有關(guān)：聚合物越多，它們產(chǎn)生相互作用的機(jī)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(xué)的理論科學(xué)家們合作，希望能更好地解釋單模和雙模弛豫現(xiàn)象。”

這個團(tuán)隊(duì)成員很高興能幫助我們理解復(fù)雜的流體的流動情況，以及它們的成型情況和制造的信息，其中包括聚合物在高壓力環(huán)境中的弛豫情況，例如用于三維打印的流體。