高分子物理本科教学之我见

高分子物理是一门物理课,其内涵为高分子物质的结构、结构演变与各层次结构单元的运动规律,而非聚合物的"结构与性能"关系.这门课为解释结构与性能关系提供基础概念与理论,但不是"结构与性能"关系本身.这样的定位决定了高分子物理课不应采用系统教学法,而应当采用逻辑教学法,即从一个不证自明的公理(逻辑起点)出发,沿着一条主线,依次导出、建立全部理论体系.在高分子物理中,这个逻辑起点就是长链结构,主线就是熵弹性.故该门课程应按熵弹性这条主线展开.对现行高分子物理课程内容进行分析,大多数内容均可用熵弹性的主线串起来,另外少部分内容也与熵弹性有密切关系.应根据这两点对现行课程体系与教学方法进行改造,为课程各项内容之间建立逻辑关系,方便学生的学习与应用.     

高分子物理教学中“结晶”概念的讲解

高分子物理是高等院校高分子材料与工程专业的一门重要的专业基础课。"结晶"是高分子聚集态结构中重要的概念。巨大的分子量及长链状分子结构使高分子的结晶过程与小分子相比愈加复杂。在高分子物理课程的教学过程中,通过一定的逻辑架构向学生介绍结晶与有序、链柔性、玻璃化温度之间的关系并串联与结晶相关的一些概念(如结晶度、结晶温度、熔点以及结晶速率),使学生在初学阶段对高分子晶态结构建立起科学的认知体系。实践证明,通过这种教学方式,绝大多数同学都能较好地理解并掌握这部分教学内容。     

“高分子物理”课程教学中的整体性思路初探

在"高分子物理"课程教学中,主要难点是教学内容比较繁杂,所涉及的概念很多且较抽象,各种高分子材料的结构和性能差异性大,不易把握其共性。以高分子结构、性能和分子运动的中间态,即高分子链的远程结构中分子链的形态、高聚物性能的高弹性和链段运动为基础,避开繁杂抽象的具体概念,以简洁的方式来呈现高分子物理的教学内容,帮助学生在渐进的教学过程之初便建立一个形象化的整体性思路,以此作为后续教学的指导性思路,在整个教学过程中进一步展开和强化,教学效果很好。     

凝炼“高分子物理”本科教学内容的核

要较为深刻地认识聚合物,学习并掌握"高分子物理"课程是十分必要的。那么,在打基础的本科阶段,"高分子物理"究竟要教些什么?对此,本文提出"高分子物理"课程本科教学内容有其核心部分,即结构单元形成的长链因各种相互作用所呈现的不同微观结构和形态、外场作用下聚合物微观结构和形态的变化、宏观响应行为及其之间的关系。作者以为,采用涵盖基本内容的统编经典教材,授予学生一个基本的核和不断地自我学习的有效方法,可由此臻于对"高分子物理"较为深入的理解、恰当运用乃至于发扬光大。     

高分子结构与性能关系原理-结构层次的意义

高分子结构是高分子性能的重要物质基础,对其结构进行合理的划分,有助于准确把握高分子物理知识体系的内在脉络。高分子结构层次的划分不仅要思考静态时特定质点在空间的堆砌特征,而且也要考虑结构出现运动或是变化的基本单元。按照质点尺度的不同,高聚物的结构可以分为单一高分子结构(链结构)、多个高分子结构(凝聚结构)和多种高分子结构(织态结构)三个主要层次。其中,化学因素所确定的链结构层次包括相对分子质量以及构造、构型等同分异构体形式;物理因素所确定的结构层次为高分子局部质点集合在空间的堆砌和排列;链段是容易被忽视、但又是最为重要的运动(变化)单元。     

介电松弛谱法用于高分子链动力学行为的研究

介电松弛谱法是研究高分子链松弛运动的一种有效方法.它可反映出分子的特征结构信息,对揭示高分子链动力学行为的本质及规律、调控其凝聚态结构意义重大.本文从介电松弛谱理论出发,总结出几种常用的介电特征参数以及用于解析这些参数的数学模型.通过介电松弛谱中高分子链的弛豫过程的解析,可得出与高分子链运动相关的特征参数,如介电常数、介电松弛强度以及链运动的特征松弛时间,从而判断链松弛运动的尺寸小大,松弛的基团以及链运动的协同过程;还可与Arrenius方程、Vogel-Tammann-Fulcher（VFT）方程、统计学模型建立联系,获得界面构造、分子内部组成、链动力学行为同环境的依存性等信息,为高分子材料的分子设计、开发与应用奠定高分子物理理论基础.     

高分子链构造、构型与构象的比对教学

高分子链的结构包括构造、构型、构象三个方面,涉及较多知识和内容.在"高分子物理"课程的教学中,将此三个概念放在一起进行比对,从不同角度考察彼此间的联系和差别,则更有利于深入理解这些概念的内涵,从而更好地掌握高分子链结构.本文选取四个视角来陈述相关内容,为编写"高分子物理"教材和进行课堂教学时参考.     

高分子多尺度结构与动力学的固体NMR研究

高分子材料中的微观结构和动力学特征决定了材料的最终物理化学性能,并具有典型的时间和空间上的多尺度特性。在不同时空尺度上表征凝聚态下高分子中多尺度的结构、动力学及其动态演变等问题,进而阐明其结构-性能间的关系一直是高分子科学研究中的挑战性课题。目前,固体NMR技术已成为从原子至100nm的空间和10-9～10s的时间尺度上研究固态高聚物体系中多层次结构和复杂运动并阐明其结构与性能关系的有力工具。本文将综述我们近年来系统构建的多尺度固体NMR实验技术,及其在阐明高分子链结构、链间相容性和相互作用、界面相结构及相区尺寸、以及从高频到超慢链运动等问题中的应用。     

关于高分子物理的实体和立体教学

基于高校教育大众化趋势和工科及非物理专业学生的学习基础,本文在综合分析个体的认知规律和高分子物理的课程特点基础之上,提出了实体和立体化的高分子物理教学理念和大纲,即围绕高分子链统计、运动的特点,从结构和性能检测的感官认识出发来理解抽象的物理概念,在科研训练、实习实训、文献研讨等多层次多形式的学习中加深巩固对高分子物理知识的理解。     

高斯链网络模型与橡胶交联网络的差异

“橡胶弹性”是《高分子物理》中联系长链分子构象统计和高分子材料力学性能的重要章节之一。现行《高分子物理》教科书中有关内容多以Rehner-Flory“四链模型”为基础,从Gaussian单链熵、单链熵加和恒体积仿射形变角度推导Gaussian链网络构象熵和收缩力,而很少提及Gaussian链网络模型化过程所涉及的诸多近似,更不提及有关学术争议。基于现行《高分子物理》教程,不少学生认为硫化胶具有类似Gaussian链网络的交联结构,不少技术人员基于所谓理想网络结构来设计所谓大应变可逆变形柔性电子等前瞻性器件,在理论和实践上走了不少弯路,得出不少误导性结论。本文回顾Gaussian链网络模型化所涉及的基本理论、近似和争议,以便让读者认识到Gaussian链网络模型仅是具有一系列约束条件的“模型”,而与橡胶交联结构相差甚远。     

“高分子物理学”中的基本概念

"高分子物理学"具有基本概念多、理论多的特点,本文沿着"高分子物理学"的主线,按照"聚合物结构-分子运动-性能"的基本框架,从聚合物的链结构、聚合物的凝聚态结构、高分子溶液、黏弹性、聚合物的分子运动和转变、聚合物的极限力学性质等方面,阐明所涉及的重要基本概念的含义和作用,目的是使学生在明晰基本概念的基础上,掌握"高分子物理学"中的公式和基础理论,系统整体化学习高分子物理这门基础理论课程。     

基于“多链超分子柱”的侧链液晶高分子柱状相

一些具有伸展构象的侧链液晶高分子,如甲壳型液晶高分子或树枝化高分子,可以经由分子链的平行排列而呈现柱状液晶相.一般认为,该类柱状相的基本结构单元是单根高分子链所形成的超分子柱.而以几根链组装形成的超分子柱,即"多链超分子柱",也可作为侧链液晶高分子柱状相的基本结构单元,但多年以来这一现象并未引起人们的重视.近期,我们以hemiphasmid型侧链液晶高分子为研究对象,阐明了"多链超分子柱"是侧链液晶高分子柱状相微相分离的一种重要形式.本文从hemiphasmid型侧链液晶高分子的柱状相结构分析、化学结构对"多链超分子柱"的影响、"多链超分子柱"模型的理论分析与预测、"多链超分子柱"的"柱内缠结"以及hemiphasmid型侧链液晶聚降冰片烯的功能性等若干方面,对基于"多链超分子柱"的侧链液晶高分子柱状相进行了介绍.我们认为,深入研究"多链超分子柱"性质,将拓展侧链液晶高分子的应用领域,加深对高分子物理基本问题的认识.     

利用指数律了解溶液中复杂高分子单链及聚集态结构的形状特征

高分子在溶液中的单链构象和聚集态结构是高分子科学的重要内容,在研究中往往应用到许多指数经验规律. 总结了几种通常用来研究高分子溶液的指数律方法,并介绍了指数律如何应用于复杂高分子单链及聚集态结构的形状特点研究. 通过前体溶液的调控实现对薄膜凝聚态结构以及形貌的操纵是一种新思路、新方法. 因此,深刻认识高分子在前体溶液中的本征性质尤为重要. 通过指数律研究,结合电镜、光谱等方法,可深入研究高分子溶液单链、聚集尺寸及形态结构演变与各层次结构单元的运动过程及规律,为高分子材料的分子设计、功能开发及应用奠定理论基础.     

溶剂性能对部分解缠结聚氯乙烯有序结构形成的影响

一般的高分子非晶态是线团相互穿透的多链凝聚态,是分子固体中非常独特的一种分子凝聚态[1～4].而高分子链的缠结是高聚物凝聚态的重要特征之一.缠结是指高分子链之间形成物理交联点,构成网络结构,使分子链的运动受到周围分子的羁绊和限制[5],因此缠结对链的构象调整以及链单元     

不同拓扑结构高分子链在拉伸流场下如何穿过柱状纳米小孔?

在流场剪切下发生形变的高分子穿过比自身尺寸还小的纳米孔的现象被称为高分子的超滤.阐明该现象是高分子物理研究中的一个重要课题,它的研究与许多其它领域相关,如高分子研究中常用的体积排除色谱,石油开采用的高分子助剂,DNA、mRNA和蛋白链的跨膜传输.然而,因缺乏合适的理想高分子样品及纳米孔中超滤流场的不确定性,直到21世纪初人们仍未系统地在实验上对高分子的超滤行为进行本质探究.为揭示其物理本质及验证相关理论,近十年来我们课题组合成了一系列具有不同拓扑结构的模型高分子,解决了在纳米孔道中形成理想拉伸流场等一系列技术难题,成功开展了对高分子链在柱状纳米小孔中超滤行为的系统研究.本文回顾了高分子链穿过纳米小孔的经典理论,并综述了我们所取得的研究成果,即(1)首次成功观测到了线形高分子链穿越柱状纳米小孔的"coil-to-stretch"转变行为,并发现过孔临界流量的确与高分子链长无关,但与小孔直径相关,与de Gennes经典理论的预测不相符;(2)结合实验观测结果,建立了不同拓扑结构高分子链穿过柱状纳米小孔的统一理论描述;(3)通过高分子模型样品,系统地在实验上研究了过孔临界流量与高分子链拓扑结构、小孔结构之间的关系;(4)根据实验研究结果和新发展的理论描述,成功实现了不同拓扑结构高分子链混合物的分离以及高分子聚集结构之间的快速转变.     

大分子溶致凝聚过程中的几个分界浓度

按照现代高分子凝聚态物理学观点,高分子溶液按浓度分为:极稀溶液、稀溶液、亚浓溶液、浓溶液、极浓溶液5个层次,各层次间的分界浓度分别称为动态接触浓度、接触浓度、缠结浓度和全高斯链浓度,其中全高斯链浓度由本文作者命名。文中给出各分界浓度的定义,介绍各分界浓度的物理意义,特别说明命名全高斯链浓度的依据。同时详细讨论了不同浓度溶液中大分子链的构象及其变化、链间相互作用的本质和微观图像、以及溶液浓度变化对溶液性质的影响。     

微通道中高分子运动的耗散粒子动力学模拟

对不同长度及不同数量的高分子链在微直通道及微缩通道中的流动进行了模拟与分析.研究表明,高分子链的伸展状态与微通道的形状密切相关,微直通道中高分子链能较充分地伸展,方形微缩通道中高分子链未能充分伸展,而斜坡微缩通道中高分子链的伸展状态介于微直通道与方形微缩通道之间.高分子的存在对微通道系统的温度没有明显影响,对密度与水平流动速度有较明显的影响.高分子链的运动直接影响到周围的简单流体粒子,降低其周围流体粒子的流动速度,对密度与速度产生局部扰动,形成"拖曳"现象.高分子链分布越密集,长度越长,高分子链的拖曳现象越明显.     

二维三角格子上高分子动态 Monte Carlo模拟的协同运动算法

在动态Monte Carlo模拟的协同运动算法中,几个相邻的链节可以同时运动,这可以理解为高分子链中张力的作用引起的协同运动。将这一算法用于二维三角格子模型上RW链和SAW链的模拟。结果表明RW链的动力学行为符合Rouse理论,说明说明该算法可以用于高分子动力学研究,其优点是不需要使用键长涨落模型。     

红外光谱及二维相关光谱在讲解聚合物"玻璃化转变"概念的应用

玻璃化转变是聚合物的一种普遍现象,也是高分子物理教学过程中的一个重点内容.对玻璃化转变的本质进行深入透彻地讲解,有利于学生加深对高分子结构、高分子材料的性能和高分子链运动的统计学三个紧密相连部分的融会理解.针对目前教学过程中主要基于差示扫描量热法进行非晶态聚合物玻璃化转变温度概念讲解的不足,本论文交流了在教学过程中采用...     

如何讲好聚合物的导电性(Ⅰ)——一维结构材料一般不是电导体

一般来说,由共价单键连接起来的高分子链已经没有了能够自由运动的电子(载流子),加上主要靠范德华力堆砌的聚合物分子之间距离较大,电子云交叠差,载流子的离域运动极为困难,因此聚合物通常是绝缘体。但是,即使像聚乙炔那样具有π键结构、其主链每个碳原子上带有一个导电电子的聚合物也不能导电,这是因为高分子链是一维体系,空间结构维度性决定了其导电性。一维结构的材料具有派尔斯不稳定性,使得即使每个原子都有导电的价电子,它也不会(在低温下)导电,这是一条普遍的物理规律。