原子力显微镜在聚合物科学中的应用

原子力显微镜（AFM）因其独特的多功能纳米级成像和测量能力，已成为聚合物研究中必不可少的表征工具。最近的进步使原子力显微镜能够在各种尺度的实际条件下探测复杂的聚合物结构、功能和行为。随着聚合物复杂性的不断进步，原子力显微镜的多功能纳米级成像已准备好迎接新的挑战，并为聚合物科学提供前所未有的见解。

通过原子力显微镜加深对聚合物形态和功能特性的了解
聚合物是用途广泛的材料，其结构和功能取决于其化学性质、组织和链结构。然而，它们在结构和动力学方面表现出复杂的多尺度异质性，从单个链构象到中尺度自组装，不一而足。

这种复杂性源于它们的化学、结构、组织和聚集，从而在各种应用中产生了新的功能。随着聚合技术的不断进步，聚合物的形态也变得越来越复杂，因此，要想通过知识驱动的设计充分挖掘聚合物的潜力，就必须进行纳米级表征。

各种显微技术，包括电子显微镜、原子力显微镜和 X 射线散射，通常用于研究聚合物材料的形态。然而，原子力显微镜因其独特的多功能表征和高分辨率成像而脱颖而出。

原子力显微镜的最新进展使其能以纳米级分辨率绘制形貌、力学和电学特性图，甚至能捕捉动态。这克服了其他技术的局限性，如样品损伤（电子显微镜）或平均/非功能测量（X 射线散射）。

原子力显微镜的无损和实时成像能力及其操作条件的多样性，使其成为推动我们了解聚合物形态及其功能特性的不可或缺的重要工具。

原子力显微镜如何用于聚合物和生物聚合物的研究与开发？
探索结构和形态
聚合物在微米和纳米尺度上表现出复杂的分层结构，具有链堆积、结晶区和共聚物相分离等特征。原子力显微镜，尤其是在攻丝模式下，能以高空间分辨率对聚合物形貌进行纳米级成像，包括原子和分子细节。

原子力显微镜技术的最新进展提高了成像速度，并通过使用共振频率更高的小型悬臂提高了对精细聚合物的灵敏度，从而实现了对低力的精确控制。

这种能力对于研究聚合物纳米粒子、纳米器件和纳米纤维在个体和整体层面的尺寸、形状和结构至关重要。

监测动态过程
在溶剂或高温等非环境中观察聚合物形态和特性的演变，可以获得有价值的见解。先进的原子力显微镜具有快速扫描功能，能够实时观察纳米级动态过程，包括降解、有序化、再结晶和熔化。

通过控制溶剂浓度或应用热梯度，研究人员可以研究化学相互作用或高温对聚合物行为的影响。

表层下成像
原子力显微镜成像方法和理论的进步实现了聚合物系统的表层下成像，揭示了其三维体积内的纳米结构组织。

表层下成像模式，如纳米机械、声学和光学方法，已被用于绘制埋藏的聚合物结晶和纳米颗粒，以及测量多层薄膜的深度。除表面表征外，这些技术还能为了解聚合物的内部结构提供宝贵的见解。

聚四氟乙烯的纳米级表征

聚四氟乙烯（PTFE），俗称特氟龙，是一种疏水性和非反应性含氟聚合物。

原子力显微镜研究表明，可以通过表面改性来降低其疏疏水性，从而改善润湿性、增强附着力、提高传热效率、改善生物医学应用中的生物相容性并防止结垢。

定量原子力显微镜成像可揭示 PTFE 的孔径、硬度、纤维密度和膜的结构，但自由悬挂的纤维会给成像稳定性带来挑战，需要精确的力控制才能获得稳定的成像条件。

高分辨率成分绘图
原子力显微镜的攻丝模式相位成像可通过检测材料特性的差异，提供定性的聚合物成分图。这样就能对无定形区与结晶区、共混物中的纳米域、共聚物中的相分离以及复合材料中的纳米填料等特征进行详细表征，从而提供其他方法无法获得的有关结构与功能关系的重要见解。

实时研究聚合物的动态行为和过程
聚合物的动态变化包括各种过程，从其固有的热行为到与环境的相互作用。

通过高速原子力显微镜对结构变化进行直接实时观察，可以深入了解结晶、熔化、降解、链有序化和层状形成的内在机制和动力学。此外，快速扫描原子力显微镜可实现高速 TappingMode 成像，捕捉纳米尺度的动态过程，而不受样品尺寸或环境的影响。

这种形态演变的真实空间实时可视化技术揭示了静态或集合平均技术无法实现的聚合物动态。

推动生物聚合物的开发和优化
原子力显微镜是研究生物聚合物发展的多功能工具。它可以对卡拉胶、壳聚糖和海藻酸盐等生物聚合物的形貌和形态进行高分辨率成像。

原子力显微镜可根据生物聚合物的类型和浓度揭示其结构特征，如单链、纤维网和蜂窝状几何形状。原子力显微镜还可用于研究温度和添加剂等不同因素对生物聚合物纳米结构和表面粗糙度的影响。

此外，像相位成像和开尔文探针力显微镜（KPFM）这样的原子力显微镜技术还可以表征生物聚合物的相互作用、硬度变化和表面电位。

这些技术有助于深入了解生物聚合物的特性及其在医药、纺织品、化妆品和催化等各行各业的应用。

最新研发成果
原子力显微镜揭示了改进聚合物太阳能电池以实现清洁能源的途径
ACS 应用聚合物材料》（ACS Applied Polymer Materials）上发表的一项研究使用光导原子力显微镜 (PC-AFM) 研究了全聚合物混合太阳能电池的性能增强机制。PC-AFM 有助于以纳米分辨率对全聚合物共混太阳能电池中的纳米结构和光电流进行成像。

研究人员发现，添加少量溶剂添加剂可在不破坏相分离形态的情况下提高聚合物的有序化和结晶化，从而提高功率转换效率。改进后的聚合物微观结构就像一条 "高速公路"，能有效地传输光生电荷并增加光电流。

这有助于优化全聚合物太阳能电池的性能，加快其在清洁能源技术中的广泛应用。

结论与展望
原子力显微镜为聚合物的研究和开发带来了革命性的变化，使人们能够深入了解纳米级的复杂性、有序性和功能性。原子力显微镜技术的不断进步，包括高速成像和改进的环境控制，为研究真实世界条件下的聚合物动力学和相互作用提供了新的机会。

原子力显微镜的多功能性及其高分辨率使其非常适合研究日益复杂的聚合物材料及其复合材料。此外，将原子力显微镜与其他技术（如原子力显微镜-红外光谱法和原子力显微镜-质谱法）相结合，还能进行纳米级化学表征和空间相关成像。

随着不断发展，原子力显微镜有望在未来推动我们对聚合物系统的结构、性能和异质性的理解。

参考资料

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