理論物理所在高分子物理的理論研究中獲進展

　　類玻璃化彈性體（vitrimers）是2011年合成的一種新型高分子材料，通常在低溫時表現和熱固性材料類似（具備非常優秀的力學特性），在高溫時可以通過鍵交換實現高分子網絡拓撲結構的重塑（和熱塑性材料類似）。因為這類材料所展現出的特殊物理性質以及強大的應用潛質，類玻璃化彈性體的制備和性質研究入選2021年12月由中國科學院科技戰略咨詢研究院、中科院文獻情報中心與科睿唯安（Clarivate）聯合發布的《研究前沿》報告中的新興前沿。雖然現階段涌現出大量通過不同化學方法合成類玻璃化彈性體的研究，但是對于類玻璃化彈性體的普適性物理規律的研究非常缺乏。

　　近日，中科院理論物理研究所副研究員孟凡龍與英國劍橋大學卡文迪許實驗室教授Eugene Terentjev等合作，通過構建針對鍵交換速率較低的類玻璃化彈性體的連續型理論模型，研究了類玻璃化彈性體在不同的應用場景中可能呈現的普適性流變學特性。相關研究成果發表在Nature Communications上。

　　研究通過施加振蕩型小幅度形變，表征類玻璃化彈性體黏彈性的儲能模量（storage modulus G’）和耗能模量（loss modulus G’’）的數學形式在低頻響應區和Maxwell模型相同（特征時間尺度由共價鍵壽命時間決定，低于此特征時間表現為彈性材料，高于此特征時間表現為塑性材料），在高頻響應區呈現玻璃化轉變。通過對類玻璃化彈性體施加固定拉力大小的拉伸，類玻璃化彈性體的形變會隨著時間增加（蠕變，creep deformation），從而可以定義類玻璃化彈性體的黏性；發現類玻璃化彈性體在小幅度形變時的黏性同樣由鍵交換速率決定（黏度會隨溫度指數減小）。

　　研究發現，通過施加固定拉力的拉伸，類玻璃化彈性體在大形變區可以呈現應變變稀（strain thinning，也就是材料的黏度會隨時間/拉伸形變不斷變小），而它的物理原因同樣來源于共價鍵交換，因為鍵交換的發生使得類玻璃化彈性體丟掉了它的彈性記憶。

　　類玻璃化彈性體-永久型彈性體復合物中存在兩類高分子網絡：一類是允許共價鍵交換的類玻璃化彈性體網絡，另一類是不允許任何鍵交換的永久型彈性體網絡。因為這種復合特性，這類復合物的線性響應和Zener流變學模型相同，而在大形變區它們的流變學響應取決于兩類網絡的空間占比以及所施加的外部力學刺激。例如在蠕變條件下，類玻璃化彈性體-永久型彈性體復合物在類玻璃化彈性體網絡占比較高時可以在短時間內呈現應變變稀，在長時間時呈現應變變稠，而當永久型彈性體網絡占比較高時會一直呈現應變變稠的響應。

圖1 短時極限下partial vitrimers的流變學響應相圖

圖2 partial vitrimers的流變學響應隨時間的變化（類玻璃化彈性體網絡占比0.8）