塑料，橡胶和许多其他有用的材料都是由聚合物——即长链布置在交联网络中制成的。在分子水平上，这些聚合物网络包含削弱它们的结构缺陷。

  几年前，麻省理工学院的研究人员首先对某些类型的这类缺陷进行了测量，这类缺陷称为“环路”，是当聚合物网络中的一个链与自身而不是另一个链结合时引起的。现在，研究人员已经找到了一种减少聚合物网络中环路数量的简单方法，从而增强了由聚合物制成的材料。

  为了实现这一点，研究人员将聚合物网络的一个组分缓慢的添加到大量的第二组分中。使用这种方法，他们能够形成多种不同的聚合物网络结构，同时可将环路数量减少一半。这可以为工业上有用的材料，如塑料或凝胶的制造商提供一种简单的方法来增强其产品。

  Firmenich职业发展副研究员麻省理工学院化学系副教授Jeremiah A. Johnson表示，“只要改变你将一个组分添加到另一个组分的速度，你就可以改善聚合物的力学性能。”

  麻省理工学院研究生Yuwei Gu是本文的第一作者，论文发表在4月24日所在当周的国家科学院院刊上。

  其他作者包括麻省理工学院化学工程副教授Bradley Olsen；麻省理工学院研究生Ken Kawamoto；前麻省理工学院博士后Mingjiang Zhong和Mao Chen；凯斯西储大学助理教授Michael Hore；Case Western Reserve研究生Alex Jordan和前麻省理工学院客座教授、Case Western Reserve副教授LaShanda Korley。

  控制“环路”

  2012年，约翰逊的团队设计了第一种测量聚合物网络中环路数量的方法，并通过奥尔森的理论预测验证了这些结果。研究人员发现，根据起始物料中的聚合物链的浓度和其他因素，环路可以在聚合物网状结构中占比约9%-100%。

  几年后，约翰逊和奥尔森开发了一种计算这些环路可以削弱材料多少力学性能的方法。在最新的工作中，他们着力在不改变材料组成的情况下，实现减少环路形成。

  “我们为自己设定的目标是，在不改变材料中通常使用的前躯体的情况下，在相同的条件和相同的浓度下，使用完全相同的前躯体制备具有更少环路的材料。”约翰逊表示。

  在这片论文中，研究人员首先重点关注了一种称为星形聚合物网络的聚合物结构。这种材料有两个不同的结构组分：一个具有四个相同的短臂的星形结构，被称为“B4”，另一种则称为“A2”。A2的每个分子会与B4的其中一个短臂的末端相连。然而，在常见的合成过程中，当所有的组分都被立即混合在一起时，一些A2链会最终会结合到两个B4臂中，形成一个环路。

  研究人员发现，如果将B4缓慢添加到A2的溶液中，则B4中的每一个短臂将与单个A2分子快速反应，因此A2的形成环路的机会较少。

  在缓慢加入一半的B4溶液几个小时后，他们一次性加入了剩下的一半溶液，星形结构连接在一起形成交联网络。研究人员发现，这种材料与使用传统合成工艺生产的相同材料相比，环路减少了将近一半。

  约翰逊表示，根据材料中有多少环路，这种“先慢后快”的工艺策略可以将材料的强度提高高达600％。

  更好的产品

  研究人员还尝试了采用这种合成方法与四种其他类型的聚合物网络进行合成反应。他们虽然无法测量所有这些类型的聚合物内部的环路数量，但是它们在材料的强度方面也发现了类似的改进。

  这种方法有潜力提高由凝胶或其他交联聚合物制成的任何材料的强度，包括塑料，水净化膜，环氧树脂粘合剂或水凝胶如隐形眼镜等。

  约翰逊实验室目前正在将这种制造方法应用于各种材料中，包括用于生长组织工程细胞的凝胶中。

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