小角中子散射技术及其在大分子结构表征中的应用

小角中子散射(SANS)是一种表征从纳米到微米尺寸物质特征结构的有力工具,配合中子的强穿透性和同位素辨识等特性,在软物质大分子结构表征方面发挥着独特的作用.随着中国散裂中子源(CSNS)在2018年正式对外接受机时申请,国内SANS用户群逐年扩大.本文首先简要介绍小角中子散射技术的基本原理、谱仪结构和实验技巧,然后紧扣小角谱仪的特点和方法学方面的最新进展,介绍小角中子散射在高分子溶液、高分子共混物和复合材料、高分子结晶、凝胶、多孔材料、生物大分子等研究领域的结构表征方面的典型应用.小角中子散射和其他表征手段,如小角X射线散射(SAXS)相互紧密配合和补充,成为连接大分子内部多相多尺度的微观结构和宏观性的桥梁.     

X光和中子散射方法在团簇及其聚合物复合材料表征中的应用

复杂材料体系多组分且跨多空间尺度的层级结构、同组分的多聚集态共存以及难以定量描述的组分界面相互作用和非晶态结构,致使目前对于其形成机制和构效关系缺乏清晰认识.作为一种非破坏性的、跨多个时空尺度的材料表征方法,散射技术广泛应用于复杂材料体系多级结构和动力学研究.团簇具备明确和单分散结构,其与聚合物可通过多能级相互作用形成复合物,为研究材料共性科学问题提供了模型体系.基于大科学装置弹性和准弹性X光和中子散射多模式联用,可提供衬度互补、多时空维度原位实验表征方案,实现结构演变动力学、溶液动力学和结构松弛动力学在单链(单粒子)精度上的解析,结合材料中物质、动量和能量传输规律,实现定量化材料构效关系解析.本文首先介绍X射线和中子散射技术原理和基本数据分析方法,包括以小角散射和超小角散射为主的弹性散射以及准/非弹性散射,之后结合具体团簇复合材料体系总结散射技术联用在研究形成机制和构效关系中的应用,进而评述X光和中子散射方法在材料表征中的研究特点,为解决共性材料科学问题提供可借鉴的实验方案.     

溶液小角散射技术在软物质研究中的应用与展望※

溶液小角散射实验方法是表征溶液体系多尺度时空结构的研究利器, 在软物质研究领域已得到广泛应用. 溶液小角散射包括X射线散射和中子散射, 可以在纳米到微米空间尺度以及毫秒时间尺度对溶液软物质微观结构进行表征. 微纳尺度结构与研究对象的宏观性能密切相关, 利用同步辐射X射线小角散射高通量、快速时间分辨以及中子小角散射无损、深穿透性的特点, 可以在不同环境变量下系统研究软物质体系的纳米结构及演变过程. 系统介绍了溶液小角散射实验方法的发展现状以及溶液小角散射的基本原理. 结合典型的应用案例, 展望了溶液小角散射技术的发展趋势及其在软物质领域研究中的应用前景.     

能量选择中子成像技术及其应用

能量选择中子成像技术是利用特定范围波长(能量)的中子进行成像。在热/冷中子范围内(<25meV),能量选择中子成像技术主要基于布拉格边效应和衍射机制,相比常规中子成像技术不但可以显著提高图像对比度,而且能分析应变、应力、织构。在超热中子范围内(>1eV),能量选择中子成像技术主要基于中子共振吸收,中子截面随能量变化是同位素特有的,存在明显的共振吸收峰,因此可以进行同位素的“指纹”识别。能量选择中子成像技术在工程、材料、化学、物理、生物、考古等众多科研领域中有着非常广阔的应用前景。     

聚集诱导发光：研究高分子科学的一种新方法

高分子科学在人类生活和现代社会中发挥了越来越重要的作用,深入理解高分子材料的构效关系及性能尤为重要.现代仪器表征手段受制于非原位、样品制备过程冗杂等因素,很难直接"看到"测试过程.荧光成像技术可以清楚地"看到"材料的结构及形态变化,受到广泛关注.但是,传统荧光分子易发生聚集导致发光淬灭现象,限制其应用.相反,聚集诱导发光(AIE)分子基于分子运动受限的发光机理,在聚集态具有强的发光信号,加之荧光量子效率高、对外界刺激灵敏等优点,现已成为化学和材料等领域的前沿.本专论从AIE的工作原理出发,较系统地总结了基于AIE独特的分子可视化技术如何成为原位研究高分子科学的新方法:监测聚合物的溶液性质,如聚合过程、溶度参数及构效关系等;监测聚合物的聚集体性质,如链段固态分子运动、玻璃化转变、相分离及结晶度等.最后对AIE技术在高分子科学领域的未来发展进行了展望.     

红外热成像技术在高分子科学研究中的应用

红外热成像技术是一种非接触、非破坏性的测试材料表面温度的方法,具有既能生成优质图像,又能够精确测温的特点。该技术已被广泛用于全球工业行业的过程状态检测,如电力、建筑、医疗、军事等领域,但在高分子科学的研究领域应用还较少。本文介绍了红外热成像技术的基本原理,综述了红外热成像技术在高分子科学研究中的应用状况,包括研究材料在拉伸、冲击、疲劳过程的热效应特征,研究纤维成形过程的纺丝动力学及高分子聚合过程的反应动力学。     

温敏性微凝胶的研究技术

温敏性微凝胶因具有尺寸小、对温度的变化响应速度快、渗透性好等优点,所以在许多领域显示出良好的应用前景.温敏性微凝胶的应用性能取决于由其结构所决定的物理化学性能.为了深入了解温敏性微凝胶的结构与性能关系,研究人员利用不同技术手段进行了广泛研究.本文主要综述了显微技术、示差扫描量热技术、光散射技术、中子散射技术、核磁共振及荧光光谱等在温敏性微凝胶结构与性能研究中的应用、主要研究结果,并对微凝胶未来的研究方向提出了一些建议.     

原子间相互作用对无序大分子结构和动力学影响的中子散射研究

不同单体在原子尺度的相互作用使得不同大分子体系在微观、介观的多尺度复杂结构及动力学行为有明显差异,从而进一步影响了体系的宏观性质.联用中子散射和计算机模拟,利用相同分子量和分子量分布的氘代大分子与氢化大分子具有相同分子结构、不同中子衬度,以及中子散射和计算机模拟宽广的时间、空间观察尺度,我们可以得到无序大分子体系最可几全原子结构,进而分析其从原子到纳米的多尺度空间结构,与从皮秒到微秒的多模式动力学行为的成因.近年来,我们使用该方法,从小分子到大分子的稀溶液、溶胀体系,从大分子熔体到玻璃态,成功分析了原子间相互作用对不同空间尺度结构和跨时间运动模式动力学行为的影响.本文介绍了这些典型的例子,希望将该方法推广到更广阔的研究领域,把大分子原子结构的多样性与多尺度的复杂结构和动力学有机地联系起来.     

稀土基中子和伽马复合屏蔽材料

随着航空航天、核技术等领域的发展和核能的广泛利用，对核辐射屏蔽材料的性能也提出更高的要求。核反应中产生的中子、伽马射线的穿透能力较强，危害较大，所以对于中子、伽马辐射屏蔽材料的研究成为辐射防护研究的重点。稀土元素具有较高的中子吸收截面和高原子序数，逐渐被科研人员重视并应用于中子、伽马辐射屏蔽材料的研发中。本文简述了稀土材料在辐射屏蔽材料领域的应用，介绍了稀土元素与中子和伽马射线的作用原理；根据基体材料的类别将稀土基中子和伽马辐射屏蔽材料分为稀土金属基、稀土聚合物基、稀土玻璃基三类，分别介绍了三类稀土基复合屏蔽材料的研究进展，并分析了稀土材料用于中子、伽马辐射屏蔽存在的问题与展望。     

中子成像技术在元素分析中的应用

中子成像作为一种快速、直观的无损检测技术,在核工业、航空航天、新能源、地质、考古、先进制造等多个领域得到广泛应用。中子成像利用中子不带电、穿透能力强、对轻元素敏感、可区分同位素和近邻元素等特性,非常适合开展含氢元素、近邻元素和同位素等材料的无损检测。本文概述了中子成像技术的基本原理及特点,并结合中国先进研究堆(CARR)中子成像装置上的应用案例, 重点介绍了国内外中子成像技术在储氢材料、燃料电池、岩石、核燃料元件、古代文物等领域的典型应用。随着中子成像技术的不断发展和广泛应用,有望为我国更多领域研究提供更强有力的技术支撑。     

中子及其在科学研究中的应用

自发现中子的半个世纪以来,随着人们对中子的进一步研究,不仅建立起一门独立的学科,中子技术也已成为研究其它各个学科的有效工具。其中低能中子散射,象x-射线和电子束一样广泛地应用在材料科学、物理、化学、地质、冶金、化工等基础科学和应用科学中。它与x-射线相互补充,在现代科学技术中起着重要的作用。基于中子以及它与物质相互作用的特性,使之在许多研究工作中成为唯一的研究手段。本文主要介绍一下中子的基本性质以及它与物质作用的特性,并与x-射线比较,介绍低能中子散射的优缺点和中子技术在某些科学技术研究中的应     

点击化学在生物医用高分子中的应用

点击化学的概念提出不到10年,由于其反应条件温和,反应效率高,产物后处理简单等诸多优点而备受关注。本文概述了点击化学技术应用于生物医用高分子材料的合成,主要介绍了铜催化叠氮炔环加成(copper-catalyzed azide-alkyne cycloaddition)点击化学合成和制备多功能性和智能响应性高分子用于非病毒高分子基因载体、高分子胶束药物载体和水凝胶控制释放体系等的研究和最新进展,提出了点击化学在生物医用高分子材料合成中应用的主要问题,并对其发展前景进行了展望。     

提高非高分子专业高分子化学教学效果的探讨

《高分子化学》是研究高分子化合物合成和化学反应的一门科学,是高分子材料专业的一门重要专业基础课,是应用化学和化学工程与工艺专业等非高分子专业的选修课。本文针对应用化学和化学工程与工艺专业等非高分子专业在高分子化学教学中存在的问题与对策进行了积极的探索与实践。结合多年的教学体会,从如何上第一节课、教学内容的取舍、课外活动的开展以及教学方法和手段的改进等方面总结出了一些行之有效的提高非高分子专业高分子化学教学效果的具体措施。     

面向化学类非高分子专业学生的高分子化学实验教学创新与实践——以温敏型高分子的制备、溶液性质、光学性能与应用为例

面向化学类(非高分子)专业的高分子化学实验教学发展较为缓慢,亟需紧跟研究前沿,引入新内容。本文总结了近十年的教学改革经验,并以温敏型高分子的制备、溶液性质、光学性能与应用为例,介绍如何通过实验教学内容、实验技术、教学方法等方面的创新,设计符合理科人才培养需求的、契合时代与科学发展的、被学生喜爱与重视的一系列高分子化学实验,以有效解决培养需求与课业负担之间的矛盾,且在不新增开课、课时有限的情况下,加入到化学类专业本科教学体系中,激发学生对学科领域的兴趣,提升学生的探究和创新能力。     

有机化学知识在高分子化学教学中的应用

<高分子化学>是研究聚合反应机理和聚合方法的一门科学,是高分子材料专业的一门重要专业基础课,它与前期所学课程<有机化学>课程有着非常紧密的联系.有机化学知识在高分子化学中的应用有利于调动学生的学习积极性,加深对教学难点的理解,以便提高教学质量,达到更好的教学效果.本文结合高分子化学和有机化学的课堂教学实践,就有机化学知识在辅助高分子化学教学过程中的应用提出了一些实例和自己的体会.     

荧光关联光谱在高分子单链研究中的应用

荧光关联光谱(fluorescence correlation spectroscopy,FCS)是一项用于研究体系动力学性质的统计光谱技术,随着它被引入材料与化学研究领域,近年来取得了大量全新的研究成果.该技术在高分子科学研究中也逐渐发挥出越来越大的作用,特别是在聚合物结构和动力学方面,这表明它在高分子领域的巨大潜力.本文将从FCS的基本原理、实验技巧以及在一些具有挑战性体系中的应用等方面展开,着重介绍它在高分子溶液,如聚电解质溶液、高分子混致不溶现象,以及不同的表界面体系中取得的新成果,展示FCS区别于其他传统技术的特点和优势.     

中国先进研究堆瞬发γ元素成像技术研究

无损分析样品内部的元素分布,对于材料、考古、地质科学等领域的研究具有重要意义。本文基于瞬发γ活化分析方法,结合中子照相技术,分析了模拟样品的结构和对称性,首次利用中国先进研究堆(CARR)水平孔道聚焦的微束中子束流,开展了样品瞬发γ扫描分析和材料内部元素分布研究。通过蒙特卡罗软件(MCNP)对样品元素分布实验模型进行分析,模拟结果获得了样品不同区域的元素分布,基本实现了元素空间分辨。MCNP计算结果表明在瞬发γ扫描分析中,优化准直几何参数和提高中子通量能进一步提高元素空间分辨和元素测量准确度。     

拓扑化学聚合在高分子晶体材料制备中的应用

高分子具有分子量大且呈多分散性、分子间相互作用复杂等特点,很难通过直接溶液组装的方式实现其分子长程有序的规整排列,因此,大尺寸高分子晶体的制备一直都是高分子科学领域中的挑战之一.拓扑化学聚合是一种合成有机高分子材料的重要手段,具有无需溶剂、环境友好及立体性与区域性反应产率高等优点.同时,其还可以通过对有机分子结构的有效控制,实现单体分子晶体到高分子晶体的直接转换,是一种潜在的制备高分子晶体的有效途径.本文系统总结了目前报道的可通过拓扑化学聚合实现高分子晶体制备的一些代表性材料体系,如烯烃及其衍生物类、丁二炔及其衍生物类、叠氮-炔烃类、富勒烯类等,讨论了它们的反应特性及条件,同时简单介绍了对所获高分子晶体材料的基本表征方法和潜在应用领域,并讨论了该领域研究中所存在的各种机遇与挑战.     

我国高分子化学的研究现状和基金的管理导向

高分子化学是高分子科学的三大分支领域(高分子化学、高分子物理、高分子工程)之一,它的学科领域覆盖了聚合反应研究、高分子合成及高分子改性.由于高分子化学肩负着为高分子学科提供新高分子化合物的首要任务,因此是高分子科学的基础.我国从事高分子化学研究的科研人员,约占全部从事高分子研究人员的65%,因引高分子化学研究也是我国高分子科学研究队伍的主流(见表1).我国的高分子化学研究涉及新聚合反应及新聚合方法研究、聚合反应动力学研究、功能高分子的分子设计和     

浇注型环氧树脂基耐高温中子屏蔽复合材料

提出“自驱动梯度升温”概念，研制了一种耐高温，且综合性能优异的环氧树脂基中子屏蔽复合材料。通过反应动力学研究，确定基体为混合多官能度缩水甘油胺环氧树脂和混合改性酚醛胺固化剂，基体中高反应活性树脂体系固化反应放热触发低反应活性树脂体系的固化反应，实现了室温浇注工艺条件下，高性能环氧树脂无外部热源输入即可固化成型，制备耐高温中子屏蔽材料的目的。在基体材料分子结构中刚/柔性基团的匹配、体系复杂相态下的传热和功能填料的筛选等几方面研究基础上，最终得到了玻璃化转变温度（Tg）>150℃、负荷热变形温度>150℃、快中子屏蔽系数（252Cf,40 mm）>2.5、热中子屏蔽率（252Cf,40 mm）>99.98%、物理机械性能优异的中子屏蔽复合材料。该材料在服役工况苛刻的核辐射二次屏蔽领域具有现实应用场景。