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高分子单个重复单元的范德华力测量

已有 2141 次阅读 2018-9-30 16:03 |个人分类:学海泛舟|系统分类:论文交流| 范德华力

     作为最弱的非共价键作用之一,范德华力普遍存在于分子之间,对纳米结构有重要的影响。虽然在近几十年内,表面-表面(或层-层)之间的范德华力已经被成功测量,然而单分子层次上的范德华力测量依然非常困难。首先,单个小分子的尺寸太小,不易捕捉和操纵;其次,范德华力的作用距离又非常短(通常小于1 nm),这都给单分子层次上的范德华力的测量增加了难度。 

     最近我们利用单分子力谱技术,在高真空环境中成功探测了单个高分子重复单元和固体表面的范德华力。通过将小分子串成一串(即高分子链)作为目标分子,可以有效地增加力信号的持续时间;高真空环境可以排除溶剂以及表面吸附水对力探测的干扰,大大简化了被操纵分子的受力分析。

通过选用适当的高分子和固体表面,使得分子-表面之间只能形成范德华力作用。高真空条件下,高分子会以平躺构象吸附在固体表面。当把高分子链从表面上揭起来时,其重复单元会依次脱附。由于均聚物上每个重复单元的脱附力一致,因此可以得到恒定的脱附力平台,进而可以推算出单个重复单元和基底之间的范德华力(图1)。实验结果表明,高分子每个单体与基底表面的范德华力在21~54 pN之间,而且力值与固体表面的性质以及高分子的重复单元尺寸均有关。对于具有更大哈梅克常数(Hamaker constant)的固体表面,分子-表面之间的范德华势能更大,因此范德华力更强;对于具有更大尺寸的高分子重复单元,由于范德华力具有可加和性,分子-表面之间的范德华力也会更强。这些实验结果得到了理论计算的支持。本研究采用的实验方法有望用于在单分子层次上探测其他类型的非共价键作用(如氢键、π-π作用等)。

      相关成果以“Detecting van der Waals forces between a single polymer repeating unit and a solid surface in high vacuum”为题发表于Nano Research 2019, 12, 57-61.


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1. (a)高真空中测量高分子重复单元与固体表面范德华力示意图;(b)重复单元尺寸不同的高分子在不同的固体表面上的脱附力(范德华力)力值。蓝色:聚(N,N-乙基甲基丙烯酰胺)PEMA;红色:聚(2,3-二氢呋喃)PDHF


论文链接:

https://link.springer.com/article/10.1007/s12274-018-2176-8

http://www.thenanoresearch.com/work_asap.asp


vdW.pdf




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2 强涛 杨正瓴

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