高分子相变的复杂性---从材料到生命
对高分子凝聚态的几个基本物理问题探讨
对高分子凝聚态的几个基本物理问题探讨【摘要】高分子凝聚态是指由高分子链或聚合物组成的一种状态，在物质科学中具有重要的研究价值。
本文通过探讨高分子凝聚态的定义、特点、构型和受限、相变行为、动力学性质以及相互作用等几个基本物理问题，揭示了高分子凝聚态的重要性和复杂性。
通过对这些问题的深入剖析，揭示了高分子凝聚态在材料科学和生物医学等领域的广泛应用前景。
未来的研究方向包括对高分子凝聚态的性质和行为进行更加深入的探究，以及开发新的高分子凝聚态材料和技术。
本文为对高分子凝聚态的物理问题提出了一些新的思路和见解，为相关研究领域的发展提供了有益的参考。
【关键词】高分子凝聚态、物理问题、构型、相变行为、动力学性质、相互作用、研究背景、研究意义、未来研究方向1. 引言1.1 研究背景高分子凝聚态物理是一门研究高分子在固体或液态状态下的性质和行为的学科，对于揭示高分子物质的结构与性质之间的关系，以及高分子材料在应用中的表现具有重要意义。
随着高分子材料在诸如医学、材料、能源等领域的广泛应用，对高分子凝聚态的研究也变得愈发重要。
高分子凝聚态的特点是由高分子链构成的大分子聚集体，在高分子链的构型和受限对凝聚态物质的性质产生深远影响。
高分子凝聚态的相变行为也备受关注，包括液固相变、玻璃态形成等现象。
在高分子凝聚态中，动力学性质和相互作用也是研究的重点，这些性质直接影响着高分子材料在实际应用中的表现。
对于高分子凝聚态的基本物理问题进行深入探讨，不仅有助于提高高分子材料的设计、性能调控能力，还有助于拓展高分子在各个领域的应用范围。
在这样的背景下，对高分子凝聚态的研究具有十分重要的意义。
1.2 研究意义高分子凝聚态是一种重要的物质形态，具有许多独特的物理性质和特点。
对高分子凝聚态的研究不仅可以深化我们对物质的认识，还可以为新材料的设计和制备提供重要参考。
在实际应用中，高分子凝聚态的性质对材料的性能和应用有着至关重要的影响。
高分子凝聚态的研究意义主要体现在以下几个方面：高分子凝聚态的定义和特点对于我们理解大分子物质的结构和性质具有重要意义，有助于揭示高分子物质的奇特行为。
高分子相变储能材料的研究进展
2019年第7期广东化工第46卷总第393期 ·129 ·高分子相变储能材料的研究进展陈超群，郭帅均，陈敏(湖北科技学院核技术与化学生物学院，湖北咸宁437100)[摘要]介绍了近年来高分子相变储能材料的研究进展，从相变机理、应用领域、材料的基本要求及优缺点、主要研究方法等方面对各类高分子相变材料进行了阐述比较，重点指明了各类材料的详细制备过程及产品的性能，并展望了今后高分子相变材料的研究方向和研究重点。
[关键词]相变；储能；高分子[中图分类号]TQ [文献标识码]A [文章编号]1007-1865(2019)07-0129-02Research Development of Polymeric Phase Change MaterialsChen Chaoqun, Guo Shuaijun, Chen Min(School of Nuclear Technology and Chemistry & Biology, Hubei University of Science and Technology, Xianning 437100, China) Abstract: The research development of polymeric phase change materials in recent years are reviewed, including phase transformation mechanism, application field, the basic requirement of materials and advantages and disadvantages, the main research method. The preparation method and the performance of the polymeric phase change materials are analyzed in detail. The research directions of the polymeric phase change materials in the future are proposed as well.Keywords: phase change；energy storage；polymer相变材料对于储能和提高能量利用率意义重大，常见的相变材料有金属(包括合金)、无机熔盐、无机水和盐、有机物等。
高分子相变材料
高分子相变材料
高分子相变材料是一种能够在外界温度或压力变化下发生相变的材料。
相变是指物质从一种状态转变为另一种状态的过程，常见的相变包括固态到液态的熔化、液态到气态的汽化、气态到液态的凝结等。
高分子相变材料通常由具有特殊结构的高分子聚合物组成，这些聚合物具有特殊的熔点、凝固点或临界温度，当外界温度达到或超过这些临界温度时，聚合物分子将发生结构变化，从而引起相变。
常见的高分子相变材料包括形状记忆聚合物、温度敏感聚合物和压力敏感聚合物等。
高分子相变材料具有许多应用价值。
例如，形状记忆聚合物可以根据外界温度变化自动调整形状，可以应用于医疗器械、机械臂等领域；温度敏感聚合物可以用于温度控制装置、智能纺织品等；压力敏感聚合物可以应用于压力传感器、开关等。
高分子相变材料具有响应速度快、可重复使用、易于加工成各种形状等优点，但也存在一些挑战，如材料的合成难度大、性能稳定性有待提高等。
未来，随着高分子相变材料的研究和应用的不断发展，相信会有更多新的应用领域被开发出来。
高聚物的相及相转变1
第三章高聚物的相及相转变中的亚稳态现象（The condensed phase and the sub-stable phasein phase transition of polymers ）§3-1 引言物质在自然界中存在的相态和相态间的转变是凝聚态物理的核心研究内容，由于发生相转变时材料的性质发生显著变化，因此在材料科学领域研究物质相态和相态间的转变规律具有突出的重要性。
对高分子材料而言，相变显得更加复杂，更加丰富多彩。
绪论中已指出，高分子材料比人们常见的物质具有更多的聚集状态，除通常的固态、液态外，还有玻璃态、半结晶态、液晶态、高弹态、粘流态及形形色色的共混-共聚态等。
这些状态间的变化规律各不相同。
与小分子相比，大分子链有其尺寸、形状及运动形式上的特殊性。
大分子链尺寸巨大，分子链形状具有显著各向异性特征，分子运动时间长，松弛慢，松弛运动形式多样化，松弛时间谱宽广。
这些特征决定了高分子材料的相转变要比小分子材料“慢”得多。
从宏观上，我们可以运用热力学原理说明相变过程始态和终态的关系，但是相转变过程的快慢却决定于微观分子运动的速度，即主要由动力学因素所决定。
大分子整链的“慢”运动特征决定了高分子材料的最终热力学稳定态往往是很难达到的，许多高分子材料的相变过程中存在着各种类型的亚稳定态。
由于达到亚稳定态的时间相对来说要“快”得多，又由于亚稳定态也具有相当的稳定性，因此亚稳态成为高分子材料相变过程中一种普遍存在，并能观察到的有趣的物理现象。
半个世纪以来对高分子相变的研究往往只停留在静止态，即只观察其始态和终态，而作为一个动态过程，即对一步一步从无序态（始态）到亚稳态再到有序态（终态）的发展过程却很少了解。
因此，了解亚稳态的存在、演变和终结是真正全面认识高分子相变的基础，不仅在高分子凝聚态物理领域开辟了新的学科分支，而且对高分子材料的发展和应用有重要指导作用。
对亚稳态的认识实际上始于19世纪。
答案材料科学基础11
一、形变强化形变强化：随变形程度的增加，材料的强度、硬度升高，塑性、韧性下降的现象叫形变强化或加工硬化。
机理：随塑性变形的进展，位错密度不断增加，因此位错在运动时的彼此交割加重，结果即产生固定的割阶、位错缠结等障碍，使位错运动的阻力增大，引发变形抗力增加，给继续塑性变形造成困难，从而提高金属的强度。
规律：变形程度增加，材料的强度、硬度升高，塑性、韧性下降，位错密度不断增加，依照公式Δσ=αbG ρ1/2，可知强度与位错密度〔ρ〕的二分之一次方成正比，位错的柏氏矢量〔b〕越大强化成效越显著。
方式：冷变形〔挤压、滚压、喷丸等〕。
形变强化的实际意义〔利与弊〕：形变强化是强化金属的有效方式，对一些不能用热处置强化的材料能够用形变强化的方式提高材料的强度，可使强度成倍的增加；是某些工件或半成品加工成形的重要因素，使金属均匀变形，使工件或半成品的成形成为可能，如冷拔钢丝、零件的冲压成形等；形变强化还可提高零件或构件在利用进程中的平安性，零件的某些部位显现应力集中或过载现象时，使该处产生塑性变形，因加工硬化使过载部位的变形停顿从而提高了平安性。
另一方面形变强化也给材料生产和利用带来麻烦，变形使强度升高、塑性降低，给继续变形带来困难，中间需要进展再结晶退火，增加生产本钱。
二、固溶强化随溶质原子含量的增加，固溶体的强度硬度升高，塑性韧性下降的现象称为固溶强化。
强化机理：一是溶质原子的溶入，使固溶体的晶格发生畸变，对滑移面上运动的位错有阻碍作用；二是位错线上偏聚的溶质原子形成的柯氏气团对位错起钉扎作用，增加了位错运动的阻力；三是溶质原子在层错区的偏聚阻碍扩展位错的运动。
所有阻止位错运动，增加位错移动阻力的因素都可使强度提高。
固溶强化规律：①在固溶体溶解度范围内，合金元素的质量分数越大，那么强化作用越大；②溶质原子与溶剂原子的尺寸差越大，强化成效越显著；③形成间隙固溶体的溶质元素的强化作用大于形成置换固溶体的元素；④溶质原子与溶剂原子的价电子数差越大，那么强化作用越大。
高分子材料中的分子流变性能研究
高分子材料中的分子流变性能研究随着科技的不断发展，高分子材料在生产和应用中扮演着越来越重要的角色。
高分子材料具有重量轻、机械强度高、耐热性能好等特点，被广泛地应用于电子、汽车、航空、医药等领域。
然而，高分子材料的复杂性和多样性在使用过程中也会带来很多不确定因素。
分子流变学作为一门研究高分子材料流变性能的学科，为有效预测材料的性能提供了重要的依据。
一、什么是高分子材料的分子流变学？分子流变学是研究高分子材料在变形和形变过程中的流动行为的学科。
它探讨材料在外力作用下的流变特性，如粘度、流变速率、流变应力等。
通过对这些性质的研究，我们可以更好地了解材料的机械强度、耐热性、可加工性等方面的综合性能。
高分子材料的分子流变性质与其分子结构密切相关。
显示高分子材料中的分子链与有机分子空间结构的不同，可以产生不同的物理、化学性能。
在应用中，高分子材料需要承受的载荷、颠簸、运动等外部环境因素的影响，会导致其分子间的结构变化，从而影响材料的性能。
二、高分子材料的流变学研究方法1. 旋转式流变仪流变仪是分子流变学的一个基本工具。
旋转式流变仪是一种常用的仪器，用于研究高分子材料的力学特性。
这种流变仪通过将外部力施加于材料上，对高分子材料产生剪切应力，从而探究其在剪切应力下的流动行为。
2. 差式扫描量热仪差式扫描量热仪是一种同时具有热分析和流变学特性的仪器。
它通过利用体系温度和相变等信息，研究材料的热学、结构、动力学等特性。
3. 动态力学模拟系统动态力学模拟系统可以模拟材料在外部环境中的运动及变形。
它通过计算分子间力的大小及其变化规律，对材料的变形行为进行研究。
三、高分子材料分子流变性能的应用1. 高分子材料的力学特性力学特性是高分子材料中最为重要的性能之一。
分子流变学通过研究材料的流变特性，可以预测材料的力学性能，如拉伸强度、弹性模量、塑性应变和断裂伸长率等。
2. 高分子材料的加工性高分子材料的加工过程需要满足材料的流动要求，从而得到理想的成型效果。
利用近场动力学理论对高分子材料相变分析
变趋势）。
外部温度变化以及高分子材料内的热扩散导致的热
势能的变化会影响材料相变的速率，相变过程的经验 Fox
公式（玻璃化温度计算）[7-8] 如公式（6）所示。
Tg
¦n Wi
i 1 Tg , ti
（6）
式中 ：Tg 为玻璃化的温度 ；Wi 为第 i 组合在自由聚合物 组成中所占的质量分数 ；ti 为第 i 组合的聚合物玻璃化的 温度。
以写成温度状态的函数h = h（ι ）。在微观状态下，高分子
材料的热传导源于晶格振动形式的分子运动，在近场动力
学态型的热扩散的理论分析中，Hx 邻域内以质点 X 为中
心，分析半径 δ 的子域内的质点 xi'（i=1，2，…，n）与 x 的相互作用的位移和力矢量的变化可以模拟高分子材料
的分子与晶格的结合度的变化趋势，得出材料相变对材料
单位法向量n-和n+ ∂Ω
穿过单位面积的热通量q和q+
Ω+
热流量Q+
X
f
f' X
（a）热通量和热流量
（b）“态”型 PD 模型
注：∂Ω为单位横截面；Ω-、Ω+分别为区域Ω的上、下2个部分；X、X'为2个质点；f、f'为方向相对、大小不等且相互 作用的一对力矢量。
图 1 热扩散模式与“态”型 PD 模型
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生物大分子的临界现象和相变研究
生物大分子的临界现象和相变研究人体内有很多具有生命活动的大分子，比如蛋白质、核酸等。
它们在生命体内承担着不同的功能，掌握它们的性质和行为对于我们了解生命体系的本质具有重要意义。
随着科学技术的不断发展，人类对这些大分子的认识越来越深入。
其中一个研究重点就是它们在临界条件下的相变行为。
本文将介绍生物大分子的临界现象和相变研究。
一、影响生物大分子临界点的因素生物大分子的临界点指阶段性过渡的临界温度或溶剂浓度。
当超过阈值时，分子间将会发生相变，形成不同形状。
在生物体系中，大分子的相变极具影响，因为生命系统的正常功能需要维持在一定的温度和溶剂浓度范围内。
而生物大分子的临界点受到多种因素的影响，这些因素包括分子的结构、序列、溶剂环境、离子强度、温度和压力等。
在不同的温度、离子强度和pH值下，生物大分子结构的稳定性不同。
因此，在研究生物大分子结构和功能的时候，需要综合考虑这些因素的综合影响，以便更好地理解它们的生命功能。
二、生物大分子的相变研究生物大分子的相变研究可以用来解决诸如蛋白质和核酸自组装等问题。
在机体内，蛋白质和核酸通常会自组装成更大的结构，如细胞核、核仁、核周边等生命系统。
随着基因工程等新技术的出现，人们更加重视这些现象的研究，以期能够进一步了解生命体系的本质。
例如，RNA分子的自组装与疾病等问题有关。
实验表明，在特定条件下，RNA分子可以自组装成高度有序的结构，称为超分子。
一些RNA超分子已经被证实可以调节细胞的基因表达，而RNA超分子的表达异常就与某些疾病的发生有关。
除了RNA分子，一些互补的DNA序列也可以在高盐浓度下形成稳定的“一维”螺旋结构。
这种结构被称为“DNA杆”，DNA杆是DNA超分子的重要组成部分。
它们在前生物动物中发挥着重要的作用，例如在染色体、免疫系统和RNA合成中起到重要的作用。
通过研究生物大分子在不同溶液中的行为，科学家可以破解生命系统的内部组织和运作机制，从而有望探索新药物、捕获化学重要实现过程，并在细胞分子生物学和生物体系物理学的研究中发现新的机制。
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Their interplay
Phase diagrams of polymer solutions
L-S crystallization
Interplay
L-L
L-S
Competition and even more!
Molecular driving forces
T
L-L
L-S
Drive
Molecular driving forces
T
L-L
L-S
Drive
Polymer concentration
Drive
Mixing interactions B Parallel-packing interactions Ep Classic Flory-Huggins parameter New energy parameter! Flory J. Chem. Phys. 1942. Hu J. Chem. Phys. 2000. Huggins Ann. N.Y. Acad. Sci. 1942.
zp e
q 2 ( r 1) n 2 E p [1 ] 2 nq / 2 kT
Hu J. Chem. Phys. 113, 3901(2000); Hu et al. 118, 10343( 2003).
？
Why do we need new parameter?
• Phase diagrams in a single component
Molecular packing
In a single component Gas Liquid Solid Condensation Crystallization
Age of polymer materials
• • • • • • • • Plastics (include foam plastics, thin films) Rubbers (tires, shoes, seals) Fibers (clothes, textures) Coatings (oil painting) Adhesives Water-absorbing and filtering resins Artifie transitions in polymer materials
• Liquid-liquid phase separation • Polymer crystallization
Liquid-liquid phase separation
• High-impact polystyrene (rubber-plastic blend)
2008-05-20, Beijing
What are polymers?
• Chain-like macromolecules containing 1000 atoms or more. ---1953 Nobel Laureate H. Stäudinger
/St-Te/Staudinger-Hermann.html
Polymers belong to complex fluid
• Complexity: integration larger than addition. “1+1>2”
Complexity in polymer phase transitions
L-L phase separation + Crystallization
Polymer concentration
Drive
Mixing interactions B Classic Flory-Huggins parameter Flory J. Chem. Phys. 1942. Huggins Ann. N.Y. Acad. Sci. 1942.
New energy parameter!
Plastics
Semi-crystalline
Fibers
Celluloses
Starches
Chitosan
Polymers belong to complex fluid
• Complexity: 32 definitions (Wikipedia) “Integration larger than addition.”
In polymer solutions Dilute Concentrated Crystalline Liquid-Liquid demixing Crystallization
Packing energy: first stage L-L demixing second stage L-S crystallization
Complexity in Polymer Phase Transitions
---from Materials Science to Life Sciences
Wenbing Hu (胡文兵) School of Chem. and Chem. Eng. Nanjing University CHINA
Partition function for polymer solutions
n n1 n n2 q n2 ( r 2) n2 ( r 1) n2 ( r 1) n2 rn2 Z ( ) ( ) ( ) zc e zp zm n1 n2 2
Coordination number q,volume n,solvent takes n1 sites,n2 polymer chains, each taking r sites.
AFM picture by Jiang Liu
Soft & tough+Hard & crispHard & tough
Polymer crystallization
• Semi-crystalline contexture (solid+elastic)
Hard & tough
Hu, et al. Macromolecules 2003