中国科大赵旸教授/港中大徐东艳教授 Nano Lett.：超分子聚合物中的氢键对声子输运的调控研究

2024-10-23 来源：高分子科技

超分子聚合物被认为是一类独特的聚合物，往往对外部刺激具有强烈的物理或化学响应性，特别是温度的变化，这种独特的特性使超分子聚合物在热管理领域具有巨大的应用潜力。氢键是超分子聚合物中主要聚合驱动力，具有高强度和高可逆性的特点，强烈地影响聚合物的分子构象和分子聚集。一些研究表明，聚合物中的氢键可以显着影响聚合物内的声子传输，这种影响的程度与氢键的密度、均匀分布和强度有关。然而，超分子聚合物中声子输运的影响机制尚未完全明确，仍然缺乏实验结果建立氢键强度与聚合物热导率的关系。

近日，赵旸教授团队联手徐东艳教授团队通过调整分子间氢键的强度，报道了一种在分子水平上通过非共价键大幅度调控超分子聚合物纤维中声子输运的方法。在这项研究中，基于三聚氰胺和三种简单的羟基苯甲酸官能团位置异构体合成了三种超分子聚合物纤维，实验结果表明它们的导热系数差值高达 289%。差示扫描量热法实验结果表明三种超分子聚合物的热稳定性存在差异，并且与聚合物热导率密切相关。傅里叶红外光谱实验和密度泛函理论的计算结果表明，造成三者之间热导率差异的原因是三聚氰胺与羟基苯甲酸中形成氢键的结合位点不同，进一步造成分子间氢键的结合强度存在差异。更强的氢键减少了缺陷，提供了更稳定的热通路，减少了声子散射，提高了热导率。这项工作为调控超分子聚合物纤维的热导率提供了一个新颖的方法，相变聚合物作为一种理想的候选材料，有望应用于热开关、热整流、热能存储和超灵敏传感器等领域，这种热导率的调控方法有望实现具有高且可控热开关比的全声子器件。

图1. 三种超分子聚合物的（a）合成示意图；(b) FTIR谱图； (c) SEM图像；(d)紫外可见光谱谱图；(e) WAXS图

图2. （a）测试纤维的SEM图；（b）三种超分子聚合物纤维的热导率

图3. 三种超分子聚合物的（a）DSC结果图和（b）变温FTIR谱图；（c）超分子聚合物纤维中声子输运的示意图

图4. Mp、Ms和Mm的分子构型和结合能

该工作以“Phonon Transport in Supramolecular Polymers Regulated by Hydrogen Bonds”为题发表于《Nano Letters》期刊上，并且入选为期刊的内页封面。中国科学技术大学赵旸教授和香港中文大学徐东艳教授为论文的共同通讯作者，中国科学技术大学孟婷博士为论文的第一作者。中国科学技术大学张忠教授和汪国睿教授为本工作提供了指导性建议。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省教育厅研究项目和深圳市科技创新委员会项目的支持。

原文链接：http://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.4c04306

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（责任编辑：xu）

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