據(jù)美國物理學家組織網(wǎng)報道,美國科學家在近日出版的《科學》雜志上撰文指出,通過在原子轉移自由基聚合(ATRP)過程中向其施加電力,可以更精準地控制整個過程,這種更環(huán)保的電化學方法有望生產(chǎn)出具有專門用途的更復雜材料。
ATRP技術由卡內(nèi)基—梅隆大學化學家克里斯托弗·馬提亞斯茲維斯基于1995年發(fā)明,是一種普遍采用的加工方法。該技術能將單體(monomer)快速地聚合成所需的聚合物,被廣泛運用于制造塑料、皮革、化妝品等特種聚合物以及可隨溫度、壓力、光線等環(huán)境變化的“智能”材料。
馬提亞斯茲維斯基團隊在實驗中使用計算機控制的電池對ATRP反應施加電力,使其升級為一個電化學介導的ATRP(eATRP)反應。馬提亞斯茲維斯基指出,這是首次讓ATRP過程和電化學反應成功“聯(lián)姻”,通過調(diào)整電流和電壓,能按需讓eATRP過程開始或結束,加速或減速,這種對反應更加精準的控制能力有助于生產(chǎn)出更好更專業(yè)的材料。
傳統(tǒng)ATRP反應過程依靠兩種銅催化劑(活化劑CuI和減活化劑CuII)之間的氧化還原反應來進行,這兩種催化劑之間會相互交換電子。但其中的一種交換偶爾會自動停止,這種被稱為自由基終止的情況會導致CuII積聚在一起。為了讓該聚合反應能繼續(xù)進行,科學家必須抵消過量的CuII,讓整個系統(tǒng)重新達到平衡。
以前,科學家通過朝該系統(tǒng)添加更多CuI來抵消過量的CuII,但這樣會使聚合物中銅的濃度過高,現(xiàn)有的工業(yè)設備很難將這種高濃度銅移除。馬提亞斯茲維斯基和同事后來使用活化劑和還原劑來重新激活CuII,并發(fā)現(xiàn)糖或維生素C等還原劑在減少ATRP反應中出現(xiàn)的過量銅方面表現(xiàn)良好。
馬提亞斯茲維斯基團隊這次的新方法則使用電化學來維持ATRP反應中銅的平衡。他們發(fā)現(xiàn),施加電力能讓轉移電子的數(shù)量水平適中,ATRP反應中不再出現(xiàn)自由基終止,CuII的積聚量減少了100倍。整個過程非常環(huán)保,效率與在反應中使用維生素C和糖作還原劑一樣高,而且該反應不需要額外的有機或無機還原劑。
研究人員使用eATRP過程制造出了ATRP過程已經(jīng)制造出的標準聚合物,精確控制eATRP過程有望研制出更復雜的聚合物結構。
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