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吉田博久老师为读者介绍了结合原子力显微镜和热分析对高分子混合物的相分离界面

发表时间:2017-12-15 14:04
[导读] 吉田老师于2016年3月退休,但是他还继续为企业科研项目提供宝贵意见,围绕放射性物质研究项目以及物质如何识别界面,材料厚度和尺寸对界面的影响,他连同日立高新技术其他科研人员一起钻研调查,干劲十足。最终实现了以前做不到的热性能评价和分析,为新材料的研发提供更多的可能性。

  本文转载日立高新技术公司《SI NEWS》第58-1刊,刊载了吉田博久老师撰写的“使用AFM和DSC观察高分子相分离界面”,为读者介绍了结合原子力显微镜和热分析对高分子混合物的相分离界面,分别进行微观观察和宏观性能分析的案例。我们有幸参观了位于首都大学东京南大泽校园的实验室,零距离接触吉田老师,还观摩了他研发新材料的过程。

  吉田博久,1974年毕业于东京农工大学。曾任日本热分析学会会长一职,现任东京都立大学研究生院城市环境科学研究科教授。主要致力于高分子化学领域,对有机分子集合体进行纳米结构的研究等。

  1986年荣获纤维学会论文奖

  2007年荣获文部科学大臣表彰 科学技术奖。

  感受科研的乐趣,开启分子世界

  有时偶然因素会左右人的判断,对未来结果产生巨大影响。吉田博久先生从事高分子研究工作,是深受当时社会环境的影响。

  “我上研一的时候,全球第一次石油危机爆发,新生们的就业前景十分堪忧。我一开始觉得进了研究生院,也算是找到工作了。但是在我们实验室,成绩差的学生会被叫到实验室外。”

  其中就有吉田先生,大四的时候他在横滨的工业技术院纤维高分子材料研究所(前身:产业技术综合研究所)工作过一年。1918年绢业实验室成立,这是当时唯一一家研究高分子材料的公立机构,由此开启了研究所的新未来。

  “如果我没去绢业实验室,应该会成为一个普通小职员。就在这个重要时期,我遇到了三位恩师,他们给日本化学带来了黎明的曙光。人都十分热心,他们并不是直接教给学生科研知识,而是让大家一起钻研”

  “高分子和低分子有什么不同?”前辈们对某个未知概念提出疑问,激发大家自己钻研。

  “低分子末端的官能团决定分子的性质,形成高分子后,其末端分子性质也不会消失。我们还讨论过‘分子本身能否识别自身末端’,‘高分子的定义是什么’,探索的过程十分有趣。而且老师们并不觉得学生提出的想法是天方夜谭,反而认为这是非常值得推敲的设想。我觉得这个非常难得。”

  控制高分子结构,迎合时代需求

  高分子究竟是什么呢?如果将分子置于某种环境中,分子将如何识别所处的环境?吉田老师以此为出发点,开始研发功能高分子材料。

  高分子一旦形成,其化学结构将很难控制。因此,为发挥高分子的某种特定功能,控制高分子结构(即分子的排列和结构重组)就变得尤为重要。

  “我们也称之为‘分子积木’,例如,我们在生产高性能的传感器时,首先要考虑的就是结构。然后在高分子膜外侧,紧密排列官能团。所以首先要考虑的是如何设计高分子。通过单体控制结构,直接形成高分子,然后进行固化。”

  以最大程度发挥分子特性,设计分子排列顺序,结构固定后的分子聚集体可应用到能源、医疗、环境等多个领域。为推进新材料和产品的研发,吉田老师经常和材料公司、化妆品公司合作,有时一年要和5、6家公司合作,他们就各自的看法展开讨论。

  例如,在正常行驶和停车时汽车“低滚动阻力轮胎”所需要的阻力,正是影响燃油经济性的因素。为满足更高的用户需求,轮胎必须采用纳米结构材料。橡胶特性是亲油性材料,如何在橡胶内均匀分布可提高燃油性能的亲水性二氧化硅?这项研究吉田先生和轮胎厂家研究了十多年,这里必须要做的就是不同高分子间的界面分析。

  “炭黑、二氧化硅纳米颗粒的表面和橡胶之间相互作用且平衡,其原因也非常值得我们去探索。为探其究竟,我使用日立高新技术公司研发的DSC进行热分析。值得一提的是,日立高新技术的DSC7000X灵敏度比前代仪器提高了3个数量级。之前热分析只能测定毫克级别,而DSC7000X产品可以实现微克级别。”

  热分析迎来了表面和界面分析的新时代

  2009年至2011年期间吉田先生担任日本热分析学会会长一职,据他所说,传统的热分析旨在研究材料的“平均值”变化,不适用于某些特殊的界面和表面分析。而日立热分析仪灵敏度高,可测量微克样品,实现了过去做不到的界面分析。

  “高分子混合物由两种物质混合时,以前无法判别AB聚合物融合的界面的浓度梯度大小。而通过热分析,我们可以观察到界面的物质浓度和分布面积。”

  无论是日常生活,还是在最先进的领域,使用单一组成的高分子的案例少之又少。由于高分子材料可充分发挥混合高分子的所有特性,现已成为当今时代的迫切要求,界面分析的重要性也日益凸显。

  “并不是均匀地混合不同的高分子形成高分子复合材料,而是进行局部处理,使得到的高分子复合材料具备新特性。如果界面处理不当,力学特性会很差,而且得到的高分子复合材料没有实用价值。虽然一定程度上实现了相分离,但是部分分子还是会相互融合,因此界面问题的解决对于现代生产领域至关重要。”

  乍一看,化妆品似乎与汽车轮胎毫不相干。了解皮肤角质层的组成细胞和细胞间脂质的界面状态对于化妆品来说尤为关键。什么时间,什么样的化妆品,如何使用会有效果?吉田老师和学生们结合物质界面因素,研究化妆品成分在角质层的分散情况。

  无论是轮胎还是化妆品,“达到纳米级别会是什么样子”,这项评估的重要性从未改变。吉田老师联用原子力显微镜(AFM)对样品进行结构分析,以提高整体热性能评价和分析精度水平。吉田老师曾参观过由日立高新科学研发的原子力显微镜国产1号机。通过不断提高仪器的灵敏度,“以前使用热分析无法观察到的,可通过AFM实现,而仅用AFM无法实现的,利用热分析数据又可以知晓”。其中,我们可以在使用AFM观察皮肤结构的同时,通过热分析仪观察皮肤细胞间角质层结构的变化过程。

  吉田老师毕业时正值经济高度增长期,高分子材料作为生产领域的原材料,与金属相比,种类还是少之又少。之后,高分子材料发展迅速,应用广泛,未来前景也十分可观。

  “说起一辆最新型电动汽车使用的高分子材料量,算上车身我想应该是相当多。原来用金属,现在大量的开始采用有机材料。”

  表面、界面分析向环保难题挑战

  未来在医疗和通信领域将着重推进高分子的科研工作。吉田老师十分重视环保问题。

  “如何减少二氧化碳的排放?如何减少垃圾的产生?我认为这是关乎环境的最重要的两个问题。那么对于如何减少废弃物品,如何有效实现物质转换,能量转换和物质转换尤为重要,使用高分子材料合成产品也十分重要。”

  为解决这一环保课题,吉田老师全身心投入到放射性物质的研究中。吉田实验室研发了一种新型纤维,可在高分子表面形成普鲁士蓝的纳米晶体,并使用过滤装置过滤98%以上的原子弹爆炸中释放的放射性铯离子。过滤装置不仅可以吸附放射性铯,还可以作为环境监测系统使用。为查证水中放射性铯的分布情况,目前在福岛各地区进行验证试验。美国土壤受放射性铯污染严重,吉田研究室使用过滤装置治理污染的方式得到了美国环保局科研人员的高度关注。

  “吸附放射性铯的过滤装置研发成功对于福岛人民意义深远,进而言之,这项研究将造福于日本乃至世界,所以这项研究也必须要坚持下去。”

  从热性能评价到新材料的研发

  吉田老师在新材料研发和环保活动等一系列研究中,围绕高分子表面和界面进行了多项调查,以真实反映社会现状和需求,为世人呈现更多彩的世界。虽然各项研究的目的不同,但科研人员凭借强烈的好奇心展开实用性的探索。这里我讲一件趣事儿,小学5年级的时候,我对烟花非常好奇,便混合火药,自制烟花。因为这事儿还被妈妈狠狠地骂了一顿,现在回想起来觉得挺好笑的。

  目前小学生也能够接触到电子显微镜,鉴于此现状,吉田老师谈到“如何培养孩子对科学的兴趣十分重要”,他从用户角度出发,十分期待以日立高新技术为主的测量仪器厂家能够尽快研发出更多的“最先进的研究装置和一般人可轻松操作的装置”、并且产品可满足高性能和通用性这两种需求。科研人员站在历史车轮最前线,应明确将用户的真实意见和需求传达给厂商。DSC7000X可满足用户的“DSC灵敏度提高100倍”的需求。

  “这是至关重要的一点,为满足用户需求,我们一鼓作气开展科研工作,只要用户说出自身的需求,我们就会付诸于实践,并全力以赴。所以用户反馈十分重要。”

  吉田老师于2016年3月退休,但是他还继续为企业科研项目提供宝贵意见,围绕放射性物质研究项目以及物质如何识别界面,材料厚度和尺寸对界面的影响,他连同日立高新技术其他科研人员一起钻研调查,干劲十足。最终实现了以前做不到的热性能评价和分析,为新材料的研发提供更多的可能性。从界面评价到引领新时代产业发展的材料研发。吉田老师开拓了肉眼看不到的微观世界的无限可能性。

  (采访·撰稿:石桥今日美)


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