Language
Country/Area
No result found
Смешанные понятия и красота: почему нижние критические температуры растворения некоторых полимеров различаются в зависимости от их молекулярной структуры?
В материаловедении нижняя критическая температура растворения (НКТР) является важной концепцией, которую нельзя игнорировать. Ниже этого температурного предела компоненты смеси могут быть полностью смешиваемыми, в противном случае они будут частично несмешивающимися. В отличие от систем малых молекул поведение растворов полимеров более сложно, поскольку их фазовые изменения зависят не только от температуры, но и тесно связаны с молекулярной структурой, степенью агрегации полимеров и межмолекулярными взаимодействиями.
С углублением исследований ученые постепенно осознали, что НКТР тесно связана с молекулярным дизайном полимеров, и разница в молекулярной структуре может кардинально влиять на ее фазовое поведение.
Фазовое поведение смесей полимер-растворитель
Некоторые полимеры имеют НКТР выше верхней критической температуры растворения (ВКТР), что означает, что они полностью смешиваются в определенном диапазоне температур и частично нерастворимы при более высоких или более низких температурах. состояние. Например, поли(N-изопропилакриламид), широко изученный полимер водного раствора, как правило, претерпевает фазовый переход при 32°C, но фактическая температура может варьироваться в зависимости от концентрации полимера, молекулярной массы и концевых групп. Различные и разнообразный.
Степень полимеризации, полидисперсность и разветвленная структура полимеров являются важными факторами, влияющими на НКТР, что также открывает новые перспективы для проектирования будущих функциональных материалов.
Физическая основа и механизм фазового перехода
Явление разделения фаз НКТС обусловлено в основном неблагоприятной энтропией смешения. Когда температура ниже НКТР, смешивание двух фаз происходит спонтанно, что приводит к отрицательному изменению свободной энергии Гиббса (ΔG) для смешивания. Напротив, когда температура превышает НКТР, изменение свободной энергии смешивания равно Положительный. Он отражает, как взаимодействие между различными веществами влияет на их фазовое поведение.
В этом случае сильные полярные взаимодействия или связывающие взаимодействия, такие как водородные связи, играют важную роль во взаимодействии полимеров и растворителей, что заставляет поведение этих систем меняться с изменением структуры. Изменение.
Теоретическая модель и прогнозирование LCST
В статистической механике НКТС можно моделировать с помощью расширения теории решений Флори-Хаггинса, учитывающей эффекты переменной плотности и сжимаемости. Исследования последних лет показали, что для объяснения феномена НКТС достаточно учитывать только геометрически связанные взаимодействия связности.
Методы прогнозирования
В настоящее время для прогнозирования НКТР используются три типа методов. Первая категория предлагает теоретические модели, основанные на экспериментальных данных жидкость-жидкость или газ-жидкость, но для этого требуется большой объем экспериментальных данных для корректировки параметров, поэтому прогностическая способность ограничена. Вторая категория использует эмпирические уравнения, связывающие НКТР с физико-химическими свойствами, такими как плотность; однако эти свойства не всегда доступны. Новый метод разрабатывает линейную модель с помощью индекса молекулярной связности, который фокусируется на молекулярной структуре и может значительно повысить надежность.
Благодаря количественной оценке исследований взаимосвязи структуры, активности и свойств ученые могут предсказать НКТР полимерных растворов до экспериментального синтеза, тем самым экономя время и ресурсы при проектировании материалов.
Перспективы на будущее
Благодаря технологическому прогрессу и более глубокому пониманию поведения полимеров прогнозирование и контроль НКТР полимеров станет все более важной областью исследований. От материалов, устойчивых к перепадам температур, до систем с контролируемым высвобождением — полимеры имеют широкие перспективы для разработки и применения. В будущем эти исследования будут не только способствовать развитию фундаментальной науки, но и помогут улучшить практические приложения, такие как системы доставки лекарств и технологии очистки воды. Какие новые молекулярные структуры и конструкции полимеров, по вашему мнению, на этой неизведанной территории смогут преодолеть существующие ограничения и открыть новые возможности?
