塑料，橡膠和許多其他有用的材料都是由聚合物——即長鏈布置在交聯網絡中製成的。在分子水平上，這些聚合物網絡包含削弱它們的結構缺陷。
幾年前，麻省理工學院的研究人員首先對某些類型的這類缺陷進行了測量，這類缺陷稱為「環路」，是當聚合物網絡中的一個鏈與自身而不是另一個鏈結合時引起的。現在，研究人員已經找到了一種減少聚合物網絡中環路數量的簡單方法，從而增強了由聚合物製成的材料。
為了實現這一點，研究人員將聚合物網絡的一個組分緩慢的添加到大量的第二組分中。使用這種方法，他們能夠形成多種不同的聚合物網絡結構，同時可將環路數量減少一半。這可以為工業上有用的材料，如塑料或凝膠的製造商提供一種簡單的方法來增強其產品。
Firmenich職業發展副研究員麻省理工學院化學系副教授Jeremiah A. Johnson表示，「只要改變你將一個組分添加到另一個組分的速度，你就可以改善聚合物的力學性能。」
麻省理工學院研究生Yuwei Gu是本文的第一作者，論文發表在4月24日所在當周的國家科學院院刊上。
其他作者包括麻省理工學院化學工程副教授Bradley Olsen；麻省理工學院研究生Ken Kawamoto；前麻省理工學院博士後Mingjiang Zhong和Mao Chen；凱斯西儲大學助理教授Michael Hore；Case Western Reserve研究生Alex Jordan和前麻省理工學院客座教授、Case Western Reserve副教授LaShanda Korley。
控制「環路」
2012年，詹森的團隊設計了第一種測量聚合物網絡中環路數量的方法，並通過奧爾森的理論預測驗證了這些結果。研究人員發現，根據起始物料中的聚合物鏈的濃度和其他因素，環路可以在聚合物網狀結構中佔比約9%-100%。
幾年後，詹森和奧爾森開發了一種計算這些環路可以削弱材料多少力學性能的方法。在最新的工作中，他們著力在不改變材料組成的情況下，實現減少環路形成。
「我們為自己設定的目標是，在不改變材料中通常使用的前軀體的情況下，在相同的條件和相同的濃度下，使用完全相同的前軀體製備具有更少環路的材料。」詹森表示。
在這片論文中，研究人員首先重點關注了一種稱為星形聚合物網絡的聚合物結構。這種材料有兩個不同的結構組分：一個具有四個相同的短臂的星形結構，被稱為「B4」，另一種則稱為「A2」。A2的每個分子會與B4的其中一個短臂的末端相連。然而，在常見的合成過程中，當所有的組分都被立即混合在一起時，一些A2鏈會最終會結合到兩個B4臂中，形成一個環路。
研究人員發現，如果將B4緩慢添加到A2的溶液中，則B4中的每一個短臂將與單個A2分子快速反應，因此A2的形成環路的機會較少。
在緩慢加入一半的B4溶液幾個小時後，他們一次性加入了剩下的一半溶液，星形結構連接在一起形成交聯網絡。研究人員發現，這種材料與使用傳統合成工藝生產的相同材料相比，環路減少了將近一半。
詹森表示，根據材料中有多少環路，這種「先慢後快」的工藝策略可以將材料的強度提高高達600％。
更好的產品
研究人員還嘗試了採用這種合成方法與四種其他類型的聚合物網絡進行合成反應。他們雖然無法測量所有這些類型的聚合物內部的環路數量，但是它們在材料的強度方面也發現了類似的改進。
這種方法有潛力提高由凝膠或其他交聯聚合物製成的任何材料的強度，包括塑料，水淨化膜，環氧樹脂粘合劑或水凝膠如隱形眼鏡等。
詹森實驗室目前正在將這種製造方法應用於各種材料中，包括用於生長組織工程細胞的凝膠中。