Structural analysis of polymer gel using partial deuteration contrast variation method

部分氘化对比变分法聚合物凝胶结构分析

基本信息

批准号：
20K05635
负责人：
高田慎一
金额：
$ 2.75万
依托单位：
Japan Atomic Energy Agency
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20K05635/
关键词：
高分子ゲル中性子小角散乱 NIPA 小角中性子散乱 SANS

项目摘要

本研究では、高分子ゲルの「主鎖」及び「側鎖」の各部位が構築する構造を明らかにし、高分子ゲルの構造不均一性の発現メカニズム、体積相転移時の各部位の役割、さらに水分子と側鎖の相互作用などを解明することが目的である。令和４年度は、側鎖（イソプロピル基）を部分重水素化したN-イソプロピルアクリルアミド（NIPAd7）ゲルと、比較として、通常のH体のNIPAゲルを調製し、J-PARC物質・生命科学実験施設の小角・広角中性子散乱測定装置（BL15大観）を用いて、温度変化による高分子ゲルの構造解析を実施した。その結果、NIPAゲルはよく知られているように、転移温度（T=35℃）付近において、疎水性側鎖の凝集構造の影響により、低q領域の散乱強度が急激に増大し、散乱強度プロファイルから得られる相関長が転移温度付近で発散するような臨界点を示す挙動が観測された。一方、NIPAd7ゲルは、転移温度付近では散乱強度プロファイルに変化は見られず、さらに温度を上昇させると、42℃付近において散乱強度の増大が見られたが、散乱長の臨界点的な挙動は見られなかった。本測定では、溶媒に重水を用いることで、NIPAゲルは系全体（主鎖と側鎖）、NIPAd7ゲルは溶媒と重水素化側鎖の散乱長密度が近くなることから、主鎖部分の挙動を反映した結果が得られている。このことから、両ゲルの散乱強度プロファイルの温度変化は、側鎖と主鎖の挙動の変化を示しており、臨界点付近において、相関長の発散が観測される挙動は、側鎖の凝集構造の影響を強く反映していることが示唆された。

本研究阐明了聚合物凝胶“主链”和“侧链”各部分构成的结构，解释了聚合物凝胶结构异质性的机理，以及各部分在体积相变过程中的作用。目的是阐明水分子和侧链之间的相互作用。 2020财年，我们制备了侧链部分氘化的N-异丙基丙烯酰胺（NIPAd7）凝胶和普通H型NIPA凝胶进行比较，并利用该设施的小角度和广角进行了J-PARC材料和生命科学实验。角中子散射测量设备（BL15 Taikan），我们分析了聚合物凝胶的结构因温度变化而变化。因此，众所周知，在NIPA凝胶中，在接近转变温度（T=35℃）时，由于疏水性侧链聚集结构的影响，低q区的散射强度迅速增加，散射强度增加。观察到临界点行为，其中从轮廓获得的相关长度在转变温度附近发散。另一方面，对于NIPAd7凝胶，在转变温度附近没有观察到散射强度曲线的变化，并且当温度进一步升高时，在42℃附近观察到散射强度的增加，但是凝胶的临界点行为散射长度是我看不到的。在本次测量中，通过使用重水作为溶剂，NIPA凝胶的整个体系（主链和侧链）以及NIPAd7凝胶的溶剂和氘代侧链的散射长度密度变得接近，因此主链的行为已获得的结果反映了这一点。由此可见，两种凝胶的散射强度分布的温度变化表明侧链和主链行为的变化，并且在临界点附近观察到相关长度发散的行为是由于聚集结构造成的有人认为这强烈反映了侧链的影响。