不只是分子量！南京大学ACS Nano：揭示颗粒尺寸协同调控聚合物缠结

自20世纪90年代以来，聚合物在纳米尺度下玻璃化转变温度偏离其体相材料的发现，使得受限体系中聚合物的动力学行为成为研究焦点。与一维受限的聚合物薄膜相比，三维聚合物纳米颗粒具有更高的表面体积比，因而表现出更显著的受限效应，成为受限研究的理想模型体系。尽管闪速纳米沉淀（FNP，由Prud'homme及其合作者开发）等合成技术的进步使得可控粒径和分子量的聚合物纳米球制备成为可能，且聚合物纳米颗粒在药物递送、光子结构和功能添加剂等领域得到广泛应用，但关于受限条件对其动力学影响的研究仍十分匮乏，对链缠结的探究更为有限。传统差示扫描量热法和动态力学分析虽被用于分析聚合物纳米球的热力学性质，但这些技术通常需要毫克级样品，不仅需要数分钟达到热平衡而使结果对实验条件高度敏感，而且加热过程中颗粒间的相互作用可能导致几何尺寸变化，偏离样品本征动力学。因此，亟需将样品尺寸降低至基本单元水平——即单个纳米颗粒。

南京大学刘莎莎博士团队采用温控暗场显微镜，通过对加热过程中单个聚苯乙烯纳米颗粒（PSNPs）光学散射强度变形的定量追踪，实现了热激活链段运动和整链运动的可视化（图1a）。单颗粒测量消除了体相测量中常见的平均效应、不可避免的颗粒间相互作用以及热平衡的潜在影响，从而能够测定本征形变温度。在此基础上，研究发现单颗粒中整链运动的受限长度尺度大于链段运动，这种明显的尺寸依赖性进一步提示，除分子量外，颗粒尺寸也在影响颗粒内缠结方面发挥重要作用。两种结构因素对链缠结的协同效应图谱显示，当颗粒尺寸减小至约20倍回旋半径（ R≈20Rg）以下时，单颗粒的橡胶平台开始变窄。相关论文以“Synergistic Effects of Particle Size and Molecular Weight on Chain Entanglements in Single-Polymer Nanoparticles”为题，发表在ACS Nano上。

实验方法与光学成像

研究团队搭建了集成微加热系统的倒置暗场显微镜，通过溅射50纳米厚金层的玻璃盖玻片将有效加热区域限定在500×500平方微米。实验采用中心波长525纳米的绿色LED作为光源，通过干式聚光镜产生倾斜照明光束，数值孔径为0.45的物镜作为空间滤波器阻挡未散射的入射光，仅收集颗粒散射的光子，从而在暗背景上获得高对比度的单个PSNP明亮光点（图1a）。每个光点对应一个孤立颗粒，这一对应关系通过相关扫描电镜图像得到确认。光学强度与颗粒尺寸的关联表明，较大颗粒表现出较高光学强度，由此建立尺寸定量校准曲线，且不同分子量的PSNP校准曲线重叠良好，表明光学响应对分子量不敏感。

热致链运动的光学观测

在典型实验中，单个PSNP通过滴铸法沉积于芯片上，在氮气填充的50°C烘箱中干燥超过24小时后，以5°C/分钟的速率从室温升至250°C，全程以60帧/分钟记录延时暗场图像。具有相同尺寸（半径110纳米）但分子量从3,350到925,000克/摩尔不等的五个代表性PSNP的快照显示，所有颗粒的光学强度随温度升高而下降，分子链越长所需形变温度越高（图1b）。相应的光学强度-温度曲线进一步揭示，随着分子量增加，下降过程从单步转变为明显的两步过程，与体相聚合物的典型热形变曲线高度一致，表明光学强度的下降与热增强分子迁移率引起的形变相关（图1c）。原子力显微镜、扫描电镜和数值模拟进一步支持了这一解释，并与米氏理论相符——散射截面强烈依赖于颗粒几何形状。第二步转变中观察到的PSNP迁移提供了颗粒在相应温度处于流动状态的额外证据。由此，两步过程划分的五个区域分别对应单个PSNP的玻璃态、玻璃化转变、橡胶态、橡胶-流体转变和粘性流动状态。

图1. 单颗粒PSNPs全光谱热激活链运动动力学的光学成像。 (a) 实验装置示意图。(b) 不同分子量的PSNPs在线性加热过程中的代表性快照（半径：110 nm）。比例尺为1 μm。(c) 图b所示五个PSNPs对应的光学强度-温度曲线。

链段运动与整链运动的受限差异

为了定量评估三维受限纳米颗粒中分子量依赖的链段运动和整链运动，研究人员开发了双峰拟合函数，通过微分光学强度-温度曲线提取每个PSNP的玻璃化转变温度（Tg）和橡胶流动温度（Tf）（图2a）。半径为110纳米的PSNPs，其Tg随数均分子量增加而升高，在高分子量区达到平台约100°C，与体相样品的Flory-Fox方程吻合良好，且方程中与自由体积相关的常数K在体相和单颗粒中几乎相同，表明在三维受限PSNP中受限效应对链段运动的影响可忽略（图2b）。然而，相同颗粒的Tf对分子量的依赖性极大地偏离了体相聚苯乙烯中Tf对Mw的典型标度指数3.4，表明受限效应已对PSNP的整链运动产生可观影响（图2c）。这一直接比较有力表明纳米受限效应对橡胶-流体转变的影响尺度长于对玻璃化转变的影响。

图2. 相同尺寸的单颗粒PSNPs玻璃化转变温度（Tg）和橡胶-流体转变温度（Tf）的分子量依赖性定量分析。 (a) 通过双峰函数拟合微分光学强度曲线提取每个PSNP的Tg和Tf值。(b) 半径为110 nm的PSNPs的Tg与Mn倒数之间的关系与体相样品报道的Flory-Fox方程吻合良好。(c) 半径为110 nm的PSNPs的Tf对Mn的标度指数确定为0.13。(b)和(c)中的误差棒代表标准偏差。

尺寸依赖性的直接验证

利用暗场显微镜的高通量优势，研究团队在一次实验中筛选了视场内相同分子量（Mn=925,000克/摩尔）但尺寸不同的数十个PSNP的行为（图3a）。底部伪彩色图像展示了按颗粒尺寸排列的所有PSNP的微分热-光曲线。结果显示，PSNP的T_f随颗粒半径从150纳米减小至60纳米而持续下降，而T_g在尺寸范围内几乎保持~100°C不变，仅表现出微弱依赖性（图3b）。在玻璃基底上的额外测量进一步证实Tg的尺寸依赖性可忽略而Tf的变化依然明显。这些结果确认了在所研究的尺寸范围内Tg对颗粒尺寸的敏感性远低于Tf，为纳米受限效应在更长尺度上影响橡胶-流体转变的假设提供了直接实验证据。此外，较小PSNP中橡胶-流体转变的峰宽变宽，这与先前报道的尺寸依赖性玻璃化转变行为一致，归因于颗粒内具有更高迁移率分子比例的增加（图3c）。

图3. 单颗粒PSNPs尺寸依赖的玻璃化转变与橡胶-流体转变的比较。 (a) 单次实验中相同分子量（Mn=925,000 g/mol）但尺寸不同的数十个PSNPs的Tg和Tf光学成像。底部伪彩色图像显示相应的结果。(b) 图a所示PSNPs的Tg（点）和Tf（圆圈）与尺寸的相关性。(c) 三个代表性PSNPs的微分光学强度-温度曲线（R代表颗粒半径）。

颗粒尺寸与分子量的协同缠结调控

由于Tg与Tf之间的温度差与单个PSNP中的缠结相关，两种转变温度的尺寸依赖性差异提示颗粒尺寸与分子量共同影响缠结程度。研究人员以橡胶平台持续时间——即Tg与Tf的温差——来量化链缠结。结果显示，在所有超过缠结分子量（18,000克/摩尔）的分子量范围内，较小PSNP中的缠结均受到抑制（图4a）。值得注意的是，对于分子量低于Me的PSNP，当颗粒半径超过约125纳米时，微分热-光曲线从单峰转变为双峰，这暗示了PSNP中出现了类似缠结的动力学行为，被归因于先前在薄膜中报道的链段动力学和链构象统计叠加梯度产生的瞬态缠结（图4b）。这一结果不仅为将先前提及的理论——梯度表面迁移率产生聚合物瞬态缠结——拓展至三维受限聚合物体系提供了实验证据，也证实了颗粒尺寸在调控单个PSNP缠结中的重要作用。

缠结变化的临界尺度

两种结构因素对缠结的协同效应图谱显示，尺寸效应对缠结的影响随分子量增加而增强（图4c）。为了定量描述这一协同效应，研究人员将颗粒尺寸（R）用组成链的回旋半径（Rg）归一化处理，发现橡胶平台持续时间呈现一致的变化规律，转折点出现在PSNP半径小于约20倍聚合物链回旋半径时（图4d）。这一临界值大于从一维受限薄膜厚度依赖缠结中通常提取的值，表明聚合物纳米球中受限效应更为强烈。

图4. 分子量和颗粒尺寸对PSNPs缠结的协同效应。 (a) 超过M_e的不同分子量PSNPs的橡胶平台持续时间与尺寸的关系。(b) 五个不同颗粒尺寸的代表性PSNPs（Mn=9,300 g/mol < Me）的微分光学曲线。(c) PSNPs缠结平台持续时间随分子量（Mw）和颗粒尺寸（R）变化的图谱。每个黑点代表单个颗粒的结果。颜色标度表示平台持续时间。(d) 橡胶平台持续时间随组成链Rg归一化颗粒尺寸的变化。不同颜色的点代表不同分子量PSNPs的结果（R代表颗粒半径）。

总结与展望

本研究建立的单颗粒热-光学方法以无标记、高通量方式定量研究了三维受限PSNP的颗粒尺寸-分子量-动力学关联。单颗粒测量通过消除体相测量中常见的平均效应、颗粒间相互作用和热平衡影响，实现了PSNP热致链段和整链本征运动的直接观测。研究发现纳米受限效应对橡胶-流体转变的影响尺度长于对玻璃化转变的影响，并绘制了两种结构因素对缠结的协同作用图谱，表明PSNP橡胶平台在颗粒尺寸减小至约20倍回旋半径以下时开始变窄。鉴于暗场显微镜追踪颗粒形变的变化，本研究为研究三维受限聚合物纳米球的热力学提供了有效平台，拓展了对纳米尺度受限如何影响聚合物缠结的单颗粒尺度认识，为其进一步应用提供了指导。