客观日本

日本全球首次通过计算机模拟发现隐藏在塑料硬度中的简单性质

2020年01月14日 化学材料

日本大阪大学研究生院基础工学研究科的研究生友重直也(研究生二年级)及金钢副教授和松林伸幸教授的研究团队与东京大学的水野英如助教和筑波大学的森龙也助教联合研究,通过基于计算机理论模拟,明确了玻璃状高分子的分子振动的“真面目”。

此次联合研究团队通过名为分子动力学法的计算机模拟,再现了高分子链的聚集体变为玻璃的过程,并详细解析了其性质(图1)。施加剪切变形应变后测量其硬度发现,随着一条高分子链变硬,聚集体整体都会变硬。不过,研究团队发现,聚集体整体变硬起因于玻璃特有的非仿射变形效应,相对于单链的硬度来说非常柔软。

日本全球首次通过计算机模拟发现隐藏在塑料硬度中的简单性质

图1:将高分子链的重复分子结构视为1个球体的高分子玻璃分子动力学仿真照片。

另外研究团队还发现,大多数玻璃物质都存在名为玻色子峰的振动激发,高分子玻璃也在太赫兹波区域观测到了这种振动激发,并全球首次成功获得了仅通过针对剪切变形的硬度指标——剪切弹性模量即可解释其频率的关系式(图2)。这意味着,可以利用太赫兹波对塑料等不容易发生剪切变形的力学特性进行无损和非接触检查,这在应用方面也是一个重要的发现。

日本全球首次通过计算机模拟发现隐藏在塑料硬度中的简单性质

图2:实施剪切变形,根据内部产生的力测量高分子链聚集体的硬度(左图),其决定了名为玻色子峰的玻璃特有分子振动的频率(右图)。

相关研究成果已于2019年12月20日发布在英国综合科学期刊《Scientific Reports》的网络版上。

论文信息
题目:Boson peak, elasticity, and glass transition temperature in polymer glasses: Effects
of the rigidity of chain bending
期刊:《Scientific Reports》
DOI:10.1038/s41598-019-55564-2

日文发布全文

文:JST客观日本编辑部翻译整理

专题网页