Direct observation of the dynamics of segmental motion for polymer chain isolated on the solid interface

直接观察固体界面上孤立的聚合物链的链段运动动力学

基本信息

批准号：
22K20537
负责人：
盛満裕真
金额：
$ 1.83万
依托单位：
Kyushu University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-08-31 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

高分子鎖のセグメント運動は、ガラス転移温度(Tg)など高分子材料の物性を決定する因子の一つである。これまで、セグメント運動は、凝集体内における周囲の分子鎖との協同運動と共に観測され議論されてきた。つまり、凝集状態の影響がセグメント運動の議論に介在し一本鎖のセグメント運動の描像やダイナミクスは未解明である。本課題では、原子間力顕微鏡を用いて、基板上の孤立高分子鎖を直接観察し、画像処理・数値解析に基づき、一本鎖のセグメント運動の視覚的に捉え、ダイナミクスを解明する。界面やバルクにおける分子鎖運動性との相関を議論し階層的な高分子構造物性の理解を目指す。ランダム共重合体など一次構造やシークエンスが異なる高分子を検討し、鎖上のセグメント運動の分布を可視化、バルクの物性との相関や側鎖の効果などを議論する。得られる成果は高分子の階層的構造物性の明快でシームレスな理解と高強度高機能性高分子材料の新規設計指針の創生に貢献すると考えられる。令和４年度は、当初の目的に従って、固体基板上における孤立高分子鎖形態を直接観察方法と解析方法の確立を行った。清浄な環境でSi(111)基板の洗浄とエッチング処理を行うことで、原子的に平滑なSiステップ基板を調製した。スピンコート法に基づき、ステップ基板上に超希薄なポリスチレン(PS)クロロホルム溶液をキャストすることで、PS孤立鎖が適度に分散して存在する試料を調製することに成功した。原子間力顕微鏡のACモード(ノンコンタクト)に基づき、軽微な触圧(0.1 nN以下)での孤立鎖分子鎖を観察する方法を確立した。また、PS孤立鎖を高さ像を連続測定したデータに基づき、運動性に関する情報を抽出する手法を確立した。研究成果は、複数の学会にて発表済みであり、現在論文執筆中である。

聚合物链的链段运动是决定聚合物材料物理性能的因素之一，如玻璃化转变温度（Tg）。到目前为止，人们已经观察并讨论了链段运动以及聚集体中与周围分子链的协同运动。换句话说，聚集状态的影响介入了片段运动的讨论，而单链片段运动的图像和动力学仍不清楚。在这个项目中，我们将使用原子力显微镜直接观察基底上孤立的聚合物链，并基于图像处理和数值分析，直观地捕获单链的链段运动并阐明其动力学。我们的目标是通过讨论界面和本体中分子链迁移率的相关性来了解分级聚合物结构的物理性质。我们将研究具有不同一级结构和序列的聚合物，例如无规共聚物，可视化链上链段运动的分布，并讨论与本体物理性质的相关性以及侧链的影响。获得的结果将有助于清晰、无缝地理解聚合物的层次结构特性，并有助于为高强度、高功能聚合物材料制定新的设计指南。 2020财年，我们建立了一种在固体基质上直接观察和分析孤立聚合物链形态的方法，符合最初的目的。通过在清洁环境中清洗和蚀刻Si(111)衬底来制备原子级光滑的Si台阶衬底。通过使用旋涂法将超稀释的聚苯乙烯（PS）氯仿溶液浇注到阶梯基板上，我们成功地制备了分离的PS链以适度分散的方式存在的样品。基于原子力显微镜的AC模式（非接触），我们建立了一种在轻微接触压力（小于0.1 nN）下观察孤立分子链的方法。我们还建立了一种根据连续测量高度图像获得的数据提取孤立 PS 链运动信息的方法。研究成果已在多个学术会议上发表，目前正在撰写论文。