ポリマー流体: ​​日常の製品に隠された驚くべき科学の解明

まとめ：

物質の特殊な状態として、ポリマー流体は私たちの生産と生活のいたるところに存在しています。ポリマー流体は粘性流動の特性と弾性変形能力の両方を示すため、複雑で多様なレオロジー挙動を示します。本稿では、基本的な概念と分類から始めて、一連のレオロジー現象の分子メカニズムを深く探究し、最後に応用分野での展望を展望することで、ポリマー流体の素晴らしい世界を徹底的に明らかにし、読者がこの分野における最新の進歩と重要な成果を理解できるようにします。

著者：陸玉源（中国科学院長春応用化学研究所研究員） 、安立佳（中国科学院長春応用化学研究所研究員、中国科学院院士）

ポリマー流体は少し抽象的に聞こえます。しかし、日常生活で使用しているプラ​​スチック、ゴム、繊維、あるいは工業生産における各種ポリマーやその複合材料であっても、その製造、加工、成形には、ポリマー流体の流動特性や変形特性、すなわちレオロジー特性の理解と応用が必要です。ポリマー流体は、さまざまな実験条件や処理条件の下で、驚くほど複雑で多様なレオロジー挙動を示すことがあります。では、これらの現象の背後にはどのような科学的原理が隠されているのでしょうか?この記事では、一連の興味深い例を使用して、ポリマー流体の謎をより深く理解し、その背後にある魔法の科学を明らかにします。

ポリマー流体の種類

高分子は、多くの繰り返し単位 (モノマー) から構成される長鎖化合物であり、一般にポリマーとも呼ばれます。たとえば、エチレン分子を連結して非常に長い分子、つまりポリエチレンを形成することができます。ポリマー流体は、ポリマーの溶融物や溶液など、温度がガラス転移温度よりもはるかに高い、または固化しているときのポリマーの特定の状態です。ポリマー流体は粘性と弾性の両方の特性を持ち、複雑で多様なレオロジー挙動を示すため、ポリマー物理学やポリマー科学の基礎研究の古典的なモデルシステムとなっています。ポリマー流体レオロジーは、ポリマー材料の加工および成形の学問的基礎にもなっています。

ポリマー鎖の異なるトポロジー構造に応じて（図1に示すように）、ポリマーは線状ポリマー、環状ポリマー、分岐ポリマー、超分岐ポリマーなどに分類できます[1-3]。各タイプのポリマーは独自のレオロジー特性と物理的特性を持ち、さまざまな分野で独自の用途を持っています。

図 1 異なるトポロジー構造を持つポリマーの模式図: (a) 線状、(b) 環状、(c) 分岐、(d) 超分岐ポリマー。

（１）線状ポリマーは、線状に接続された繰り返し単位からなる化合物である。これらは最も一般的なタイプのポリマーであり、加工性に優れています。例えば、直鎖状ポリエチレンは柔軟性と可塑性が非常に高いため、エンジニアリングパイプ、ビニール袋、ラップフィルムなどの産業用および日用品に広く使用されています。

（２）環状ポリマーとは、繰り返し単位からなる環状の閉じた構造を形成し、末端を持たないポリマーである。ミクロスケールでは、環状ポリマーの流動挙動は外部環境の変化に非常に敏感であり、つまり「小さな刺激、大きな応答」という特性を持っています。同時に、独特の溶液特性（特性粘度など）も備えているため、環状ポリマーはマイクロおよびナノスケールの流体力学研究において重要な応用価値を持っています。

（３）分岐ポリマーは、多くの側鎖を持つ特殊なタイプのポリマーである。一般的な線状ポリマーと比較して、分岐ポリマーには一連の独自の利点があります。側鎖の数や位置を調整することで、柔軟に性能を調整することができ、さまざまな用途のニーズに合わせて、異なる特性を持つさまざまな材料を準備することができます。側鎖が短いほど、分岐ポリマーの溶融流動性が高くなり、加工中に塑性変形しやすくなり、複雑な形状や構造を作り出すことができます。そのため、分岐ポリマーは子供のおもちゃなどのプラスチック製品の製造に広く使用されています。一方、側鎖が長くなると、分岐ポリマーの分子構造が複雑になり、酸、アルカリ、その他の化学物質による腐食や溶解に耐える能力が向上し、優れた耐化学腐食性を発揮するため、長鎖分岐ポリマーは理想的な包装材料になります。

（４）超分岐ポリマーは、分岐度が高く、空間構造がより複雑で、分子鎖の分岐点が多いタイプのポリマーである[4-6]。デンドリマーは、完璧な構造を持つ特殊なタイプの超分岐ポリマーです。この複雑な鎖トポロジーにより、超分岐ポリマーは、より高い強度、弾性、摩擦抵抗、優れた輸送特性など、より優れた特性を獲得し、潤滑剤、接着剤、コーティング、薬物キャリア、さらにはタイヤのトレッドゴムにも広く使用されています。

構造が特性を決定し、特性が用途を決定する

「構造が特性を決定し、特性が用途を決定する」というのは、材料科学者が通常従う原則です。高分子材料の性能をさらに向上・拡大するために、科学者は主に共重合とブレンドの方法を使用しています（図2を参照） [2, 7] 。

図2 ポリマーの共重合とブレンドの模式図。 [7]

共重合とは、特定の流体状態条件下で 2 つ以上の繰り返し単位が重合反応を起こし、複雑な特性を持つ共重合体を形成することを指します。たとえば、アクリロニトリル-ブタジエン-スチレン共重合体 (ABS プラスチック) は、一般的に使用されている高性能エンジニアリング プラスチックです。中でも、アクリロニトリル（A）は材料に優れた耐熱性と耐化学腐食性を与え、ブタジエン（B）の添加は材料に優れた衝撃靭性を与え、スチレン（S）は材料の硬度と剛性を高めるため、自動車、電子機器、家電、建設などの分野で広く使用されています。

ブレンディングとは、2 つ以上の異なるポリマーを流体状態で混合し、総合的な特性に優れた材料を形成するプロセスです。このタイプの混合材料は製造が容易で、さまざまなポリマーの性能特性を組み合わせることができるため、用途が広く、比較的安価であるという利点があります。

上記の紹介から、さまざまなタイプと構造のポリマー流体が、ポリマー材料に独自のレオロジー特性と物理的特性を与えることがわかります。科学者は合理的な設計と改良を通じて、新しいポリマー材料の探求と開発を続け、私たちの生産、生活、技術の進歩にさらなる可能性をもたらします。

典型的なレオロジー現象

基礎研究では、研究者はポリマー流体の非線形レオロジー挙動とメカニズムをより深く理解するために、ポリマー流体のレオロジー現象を特徴付けるさまざまな実験を設計します。日常生活で最も一般的なポリマー材料であるプラスチックを例に、ポリマー流体の典型的なレオロジー現象を理解しましょう。

プラスチックは高分子材料から作られた可塑性材料であり、加熱すると柔らかくなり成形しやすくなり、冷却すると硬くなる[1, 2]。この可塑性は、異なる温度におけるポリマー流体の異なるレオロジー挙動によるものです。加熱後、軟質プラスチックに外力が加わると、その中のポリマー鎖が急激に移動し、材料全体の塑性変形を引き起こします。外力が除去されると、部分的に（または完全に）反発し、ポリマー鎖は元の状態に戻ります。外力が除去される前にプラスチックを急速に冷却すると、現在の形状を維持し、強靭になります。再び急速に加熱すると、プラスチックは反発し、強い「記憶効果」が生じます。

日常生活でよく使われるもう一つのポリマー材料はゴムです。優れた弾力性、耐久力などの特殊な性質を持ち、「エラストマー」と呼ばれています[2] 。一方では、ガラス転移温度が低いため、室温では特殊なポリマー流体とみなすことができます。一方、その独特なポリマー構造と架橋特性により、特殊なポリマー固体とみなすことができます。架橋性とは、ゴム分子鎖が化学結合または物理的な架橋点によって互いに結合して形成される三次元ネットワーク構造を指します。この架橋構造により、ゴム素材は元の形状に素早く戻ることができ、高い引張強度、圧縮強度、耐摩耗性を備えています。ゴム材料がさまざまな複雑なストレス環境に適応できるのは、まさに架橋特性があるからであり、タイヤ、スポーツシューズの靴底、ゴムチューブ、シールなどで重要な役割を果たしています。

最も一般的な輪ゴムは、高度に架橋されたポリマー流体です。通常、ゴムは固体とみなされますが、その内部の分子鎖は液体の水分子のように室温で比較的自由に熱運動することができ、これもゴム材料と小分子材料の大きな違いです。輪ゴムを素早く伸ばすと、興味深い現象が起こります。輪ゴムにたくさんの毛があることが肉眼でわかります。この現象はポリマー鎖の層状滑りによって説明できます。外力が輪ゴムを伸ばすと、ポリマー鎖も伸びます。同時に、ポリマー鎖間の架橋点も引張力の影響を受けます。しかし、架橋点の不均一性により、一部の架橋点は他の架橋点よりも動きやすく、一部の鎖セグメントが張力に垂直な方向にスライドし、ファジー構造を形成します。この層状滑り現象は、伸張プロセス中のエネルギーの再分配によって引き起こされます。しかし、輪ゴムがあまり長く引っ張られない限り、つまりポリマー鎖が切断されない限り、外力がなくなるとポリマー鎖は元の状態に戻り、輪ゴムも元の状態に戻ります。実際、スポーツシューズのゴム底の弾力性であろうと、自動車のタイヤのグリップ力であろうと、それらはゴム内のポリマー鎖の特殊な動きと変形と切り離せないものです。

ポリマー流体は大きな応用可能性を秘めている

ポリマー流体の研究は基礎科学の発展に大きな意義を持つだけでなく、多くの応用分野で大きな可能性を示しています。材料科学の分野では、ポリマー流体のレオロジー挙動を研究することは、材料調製方法の改善と性能制御の達成に非常に重要です。ポリマー流体の挙動をより深く理解することで、材料の合成プロセスを最適化し、材料の強度、靭性、耐候性、熱特性、電気特性を向上させることができます。例えば、吉林大学と東呉大学の研究者は、動的可逆結合を利用して、材料やデバイスに優れた機械的特性、修復性、化学的耐腐食性などの優れた特性を与えています[8-10]。

ポリマー流体は、バイオメディカルの分野でも重要な応用意義を持っています。たとえば、スタンフォード大学の研究者は、組織工学や医療機器などの分野で使用するための一連の生体模倣材料を開発しました。その中で、彼らはより自然な皮膚を模倣できる人工皮膚を開発した[11, 12]。この人工皮膚は、外力を受けてもすぐに回復したり治癒したりすることができ、周囲の環境の変化をよりよく感知することができます。医療分野では、火傷、外傷、皮膚移植手術などの治療に使用され、患者の治癒プロセスを加速し、痛みを和らげます。

ポリマー流体は、3Dプリンティング、ナノテクノロジー、フレキシブルエレクトロニクスなど、他の多くの用途でも驚くべき可能性を示しています。ポリマー流体の研究成果は、産業の進歩と新技術の開発を促進し、人々の生産と生活にさらなる利便性と幸福をもたらします。

高分子流体研究における課題

複雑な鎖構造と鎖運動、および流動条件下での非線形応答のため、ポリマー流体の基礎研究もいくつかの厳しい課題に直面しています。たとえば、ポリマー流体の「ひずみの局所化」現象は、国際的な学術界で広く注目され、議論されている問題です。いわゆるひずみの局所化とは、マクロ的には均一な構造において不均一なひずみや破壊が発生する現象を指します。特定の条件下では、ひずみの局在化により、ポリマー材料の機械的特性において「雪崩のような」低下が生じます。したがって、その存在を確認し、そのメカニズムを分子レベルで解明することは、科学研究や材料開発にとって大きな意義があります。

近年、大規模なコンピュータシミュレーションは、高分子流体の複雑なレオロジー挙動や分子メカニズムを解明するための重要な手段となっています。中国科学院長春応用化学研究所はカリフォルニア工科大学と共同で、高分子流体における典型的なひずみ局在化現象である「マクロ流動（メルトフラクチャー）」と「せん断帯」（図3参照）の存在を確認することに成功し、対応する分子メカニズムを明らかにした[13, 14] 。吉林大学は、GPU加速分子動力学シミュレーションソフトウェアGALAMOSTを開発しました。これは、ポリマー流体中の分子鎖の動きを迅速にシミュレートすることができ、研究者に強力で効果的なツールを提供します[15] 。コンピュータシミュレーションに加えて、特定の分野で直面する課題に対処するために、商用ソフトウェアに依存しないシミュレーションプラットフォームの開発に特化した研究もあります。例えば、吉林大学と中国科学院長春応用化学研究所は協力して、航空用タイヤの総合的な性能シミュレーションとその基盤技術のための独立したデジタル設計プラットフォームを開発している[16-18]。このプラットフォームは、複雑な動作条件下でのタイヤの構成関係を迅速かつ正確に解析できます。このデジタル設計ソフトウェアは、航空タイヤ設計に重要な技術サポートを提供できます。

図3 ポリマー流体における典型的なひずみ局所化現象 - 「マクロ流動」と「せん断帯」。

まとめ

特殊な物質状態として、ポリマー流体は驚くべきレオロジー特性を示します。ビニール袋、輪ゴムから合成繊維まで、ポリマー材料はさまざまな実用的なソリューションを提供し、私たちの生活に多くの利便性をもたらします。実際、ポリマー流体の応用展望は非常に広く、エネルギーや環境問題を解決するための新しいアイデアを提供したり、バイオニック材料や薬物送達の新たな可能性を切り開いたりするなどです。これらはすべて、ポリマー流体のレオロジー特性の習得と切り離せません。研究メカニズムの面では、コンピューターシミュレーションとシミュレーションソフトウェアは、ポリマー流体の複雑なレオロジー挙動を解析するための強力なツールになります。これらの技術の継続的な開発と応用により、人々はポリマー流体をより深く理解できるようになり、科学と工学の分野でより高い価値を発揮することは間違いありません。

参考文献

[1] ルビンシュタイン，M.コルビー、RH、ポリマー物理学。オックスフォード大学出版局：オックスフォード、2003年。

[2] 中国国家自然科学基金-中国科学院、「中国の専門分野発展戦略：高分子流体力学」サイエンスプレス：2022年。

[3] 陸、YY;アン、LJ;王、Z.-G.ポリマーの固有粘度: 部分透過性球モデルに基づく一般理論。マクロ分子2013、46（14）、5731-5740。

[4] バラウフ，M. Likos、CN 溶液中のデンドリマー：理論とシミュレーションからの洞察。アンゲワンテ・ケミー国際版 2004、43 (23)、2998-3020。

[5] 呂、YY;シー、TF;アン、LJ;ジン、LP;王、Z.-G.デンドリマーの異常な固有粘度の簡単なモデル。ソフトマター2010、6（12）、2619-2622。

[6] ルー・ユユアン、シー・トンフェイ、アン・リージア。デンドリマーの固有粘度の異常な挙動に関する理論的研究。中国高分子学会誌、2011年、9、1060-1067。

[7] ライアン、AJデザイナーポリマーブレンド。ネイチャーマテリアルズ2002、1（1）、8-10。

[8] 王暁ジャン、S.;ルー、Z.;リー、J.;ヤン、X.;チャオ、Y.;メン、Y.;

[9] アン、N.;王、

[10] リー、W.王、X.;劉、Z.;ゾウ、X.;シェン、Z.;劉、D.;リー、L.;郭、Y.; Yan, F. ナノコンファイン重合はヒステリシスのないゲルの亀裂伝播を制限します。ネイチャーマテリアル2023。

[11] 張 哲也ワン、W.;江、Y.;王、Y.-X.;ウー、Y.;ライ、J.-C.;ニウ、S.;徐、C.;シー、C.-C.;ワン、C.;ヤン、H.;ガルスカ、L.;プライン、N.;ウー、H.-C.;ゾン、D.;ユウ、Z.;王、Y.;ダウスカルト、R.;グー、X.;トク、JBH; Bao, Z. 電荷トラッピング希釈による高輝度全ポリマー伸縮性 LED。ネイチャー2022、603（7902）、624-630。

[12] 王W.江、Y.;ゾン、D.;張、Z.;チョードリー、S.;ライ、J.-C.;ゴング、H.;ニウ、S.;ヤン、X.;鄭、Y.;シー、C.-C.;ニン、R.;リン、Q.;リー、D.;キム、Y.-H.;キム、J.;徐、C.;ジ、X.;西尾 裕之リュウ、H.;トク、JB-H.; Bao, Z. モノリシックに統合された低電圧の柔らかい電子スキンによって具現化された神経形態学的感覚運動ループ。サイエンス2023、380（6646）、735-742。

[13] ルアン・YJ;ルー、YY;アン、LJ;王、Z.-G.ステップせん断後のポリマー溶融物における非線形レオロジー挙動。マクロ分子2019、52（11）、4103-4110。

[14] ルアン・YJ;ルー、YY;アン、LJ;王、Z.-G.絡み合ったポリマーのせん断帯形成: 応力プラトー、帯形成位置、およびてこ則。 ACSマクロレター2021、10（12）、1517-1523。

[15] 朱、Y.-L.;劉、H.;リー、Z.-W.;銭、H.-J.;ミラノ、G.; Lu, Z.-Y. GALAMOST: GPU アクセラレーションによる大規模分子シミュレーション ツールキット。計算化学ジャーナル2013、34（25）、2197-2211。

[16] 張然左文潔;陸玉源;白建涛;タンタオ;アン・リージア。定常状態のタイヤの回転を解くための動的計算方法。 2023年、中国、国家知識産権局、2023112123571。

[17] 陸玉源白建涛;張然;左文潔;アン・リージア唐涛。航空タイヤ有限要素モデル データベース ソフトウェア V1.0。 2023年、中国、国家著作権局、2023SR0874638。

[18] 左文潔趙存偉;張然;陸玉源;アン・リージア唐涛。航空タイヤ構造有限要素プロセス自動化モデリング ソフトウェア V1.0。 2023年、中国、国家著作権局、2023SR0874126。

この記事は科学普及中国星空プロジェクトの支援を受けています

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司

特別なヒント

1. 「Fanpu」WeChatパブリックアカウントのメニューの下部にある「特集コラム」に移動して、さまざまなトピックに関する人気の科学記事シリーズを読んでください。

2. 「Fanpu」では月別に記事を検索する機能を提供しています。公式アカウントをフォローし、「1903」などの4桁の年+月を返信すると、2019年3月の記事インデックスなどが表示されます。

著作権に関する声明: 個人がこの記事を転送することは歓迎しますが、いかなる形式のメディアや組織も許可なくこの記事を転載または抜粋することは許可されていません。転載許可については、「Fanpu」WeChatパブリックアカウントの舞台裏までお問い合わせください。