高分子单链能否实现热-功转化.doc

PNIPAM单链弹性的温度和溶剂响应性
崔树勋*,庞祥超,王科峰
西南交通大学,材料先进技术教育部重点实验室,成都 610031
E-mail: ******@swjtu.
PNIPAM是一种典型的温敏高分子[1]。在水溶液中,通过改变温度可方便的调整PNIPAM的链构象。值得注意的是,前述过程是无扰状态(即不受外力)下的变化。一个有趣的问题是:如果在链末端加上一个外力,PNIPAM将有什么样的变化?我们利用基于AFM的单分子力谱研究了这个问题[2]。
我们发现,在温度低于LCST时,无论温度如何变化,PNIPAM的单链弹性均与23oC时一致。而当温度高于LCST时,不同温度下的力曲线有显著区别。35oC是一系列变化的转折点:在从室温升温到35oC时,力曲线中部逐渐降低;在从35oC升温到40oC时,力曲线中部逐渐升高。在40oC时,力曲线已恢复到室温下的水平,二者几乎无法区分。从40oC进一步升温,力曲线几乎不再变化。我们还提出了PNIPAM单链单行随温度变化的可能原因。
图1. 从室温到50oC的PNIPAM单链力曲线.
根据上述结果,PNIPAM在从35oC升温到40oC时,可以收缩做功,当外界拉力为300 pN时,%,见图2。换言之,PNIPAM吸收热量,并将其转化为机械能,实现了单分子层次上的热―功转化。由于PNIPAM外围的水也吸收热量,因此体系的转化效率与水的体积有关。若转化发生在半径为1微米的水中,转化效率为~10-7. 对于半径2 nm长1微米的水体系,转化效率可为提高到6%. [3]
图2. 在35oC到40oC的温度区间,PNIPAM可作为实现热―功转化的分子马达.
我们还研究了PNIPAM在甲醇-水混合溶剂中的单分子力学行为,发现随着甲醇浓度的变化,其单链弹性有显著的变化。这一单链弹性的热响应及溶剂响应可作为新型分子马达的设计依据。
关键词:PNIPAM 单分子力学变温
参考文献:
[1] X. Wang, X. Qiu, C. Wu, Macromolecules 1998, 31, 2972.
[2] W. K. Zhang, X. Zhang, Prog. Polym. Sci. 2003, 28, 1271.
[3] S. Cui, X. Pang, H. Ma, X. Zhang, Langmuir, 2012, 28, 5151.
Variation of the Single Chain Mechanics of PNIPAM upon Temperature and Solvent Change
Shuxun Cui*, Xiangchao Pang
Key Laboratory of Advanced Technologies of Materials (Ministry of Education), Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031
Poly(N-isopropyl-acrylamide) (PNIPAM) is a paradigm thermal sensitive polymer, which has a lower critical solution temperature