本文轉(zhuǎn)載日立高新技術(shù)公司《SI NEWS》第58-1刊，刊載了吉田博久老師撰寫(xiě)的“使用AFM和DSC觀察高分子相分離界面”，為讀者介紹了結(jié)合原子力顯微鏡和熱分析對(duì)高分子混合物的相分離界面，分別進(jìn)行微觀觀察和宏觀性能分析的案例。我們有幸參觀了位于首都大學(xué)東京南大澤校園的實(shí)驗(yàn)室，零距離接觸吉田老師，還觀摩了他研發(fā)新材料的過(guò)程。?

?

　　吉田博久，1974年畢業(yè)于東京農(nóng)工大學(xué)。曾任日本熱分析學(xué)會(huì)會(huì)長(zhǎng)一職，現(xiàn)任東京都立大學(xué)研究生院城市環(huán)境科學(xué)研究科教授。主要致力于高分子化學(xué)領(lǐng)域，對(duì)有機(jī)分子集合體進(jìn)行納米結(jié)構(gòu)的研究等。

　　1986年榮獲纖維學(xué)會(huì)論文獎(jiǎng)

　　2007年榮獲文部科學(xué)大臣表彰 科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)。

　　感受科研的樂(lè)趣，開(kāi)啟分子世界

　　有時(shí)偶然因素會(huì)左右人的判斷，對(duì)未來(lái)結(jié)果產(chǎn)生巨大影響。吉田博久先生從事高分子研究工作，是深受當(dāng)時(shí)社會(huì)環(huán)境的影響。

　　“我上研一的時(shí)候，全球第一次石油危機(jī)爆發(fā)，新生們的就業(yè)前景十分堪憂。我一開(kāi)始覺(jué)得進(jìn)了研究生院，也算是找到工作了。但是在我們實(shí)驗(yàn)室，成績(jī)差的學(xué)生會(huì)被叫到實(shí)驗(yàn)室外。”

　　其中就有吉田先生，大四的時(shí)候他在橫濱的工業(yè)技術(shù)院纖維高分子材料研究所(前身：產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所)工作過(guò)一年。1918年絹業(yè)實(shí)驗(yàn)室成立，這是當(dāng)時(shí)唯一一家研究高分子材料的公立機(jī)構(gòu)，由此開(kāi)啟了研究所的新未來(lái)。

　　“如果我沒(méi)去絹業(yè)實(shí)驗(yàn)室，應(yīng)該會(huì)成為一個(gè)普通小職員。就在這個(gè)重要時(shí)期，我遇到了三位恩師，他們給日本化學(xué)帶來(lái)了黎明的曙光。人都十分熱心，他們并不是直接教給學(xué)生科研知識(shí)，而是讓大家一起鉆研”

　　“高分子和低分子有什么不同?”前輩們對(duì)某個(gè)未知概念提出疑問(wèn)，激發(fā)大家自己鉆研。

　　“低分子末端的官能團(tuán)決定分子的性質(zhì)，形成高分子后，其末端分子性質(zhì)也不會(huì)消失。我們還討論過(guò)‘分子本身能否識(shí)別自身末端’，‘高分子的定義是什么’，探索的過(guò)程十分有趣。而且老師們并不覺(jué)得學(xué)生提出的想法是天方夜譚，反而認(rèn)為這是非常值得推敲的設(shè)想。我覺(jué)得這個(gè)非常難得?！?p>

　　控制高分子結(jié)構(gòu)，迎合時(shí)代需求

　　高分子究竟是什么呢?如果將分子置于某種環(huán)境中，分子將如何識(shí)別所處的環(huán)境?吉田老師以此為出發(fā)點(diǎn)，開(kāi)始研發(fā)功能高分子材料。

　　高分子一旦形成，其化學(xué)結(jié)構(gòu)將很難控制。因此，為發(fā)揮高分子的某種特定功能，控制高分子結(jié)構(gòu)(即分子的排列和結(jié)構(gòu)重組)就變得尤為重要。

　　“我們也稱(chēng)之為‘分子積木’，例如，我們?cè)谏a(chǎn)高性能的傳感器時(shí)，首先要考慮的就是結(jié)構(gòu)。然后在高分子膜外側(cè)，緊密排列官能團(tuán)。所以首先要考慮的是如何設(shè)計(jì)高分子。通過(guò)單體控制結(jié)構(gòu)，直接形成高分子，然后進(jìn)行固化?！?p>　　以最大程度發(fā)揮分子特性，設(shè)計(jì)分子排列順序，結(jié)構(gòu)固定后的分子聚集體可應(yīng)用到能源、醫(yī)療、環(huán)境等多個(gè)領(lǐng)域。為推進(jìn)新材料和產(chǎn)品的研發(fā)，吉田老師經(jīng)常和材料公司、化妝品公司合作，有時(shí)一年要和5、6家公司合作，他們就各自的看法展開(kāi)討論。

　　例如，在正常行駛和停車(chē)時(shí)汽車(chē)“低滾動(dòng)阻力輪胎”所需要的阻力，正是影響燃油經(jīng)濟(jì)性的因素。為滿足更高的用戶需求，輪胎必須采用納米結(jié)構(gòu)材料。橡膠特性是親油性材料，如何在橡膠內(nèi)均勻分布可提高燃油性能的親水性二氧化硅?這項(xiàng)研究吉田先生和輪胎廠家研究了十多年，這里必須要做的就是不同高分子間的界面分析。

　　“炭黑、二氧化硅納米顆粒的表面和橡膠之間相互作用且平衡，其原因也非常值得我們?nèi)ヌ剿?。為探其究竟，我使用日立高新技術(shù)公司研發(fā)的DSC進(jìn)行熱分析。值得一提的是，日立高新技術(shù)的DSC7000X靈敏度比前代儀器提高了3個(gè)數(shù)量級(jí)。之前熱分析只能測(cè)定毫克級(jí)別，而DSC7000X產(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)微克級(jí)別?！?p>

　　熱分析迎來(lái)了表面和界面分析的新時(shí)代

　　2009年至2011年期間吉田先生擔(dān)任日本熱分析學(xué)會(huì)會(huì)長(zhǎng)一職，據(jù)他所說(shuō)，傳統(tǒng)的熱分析旨在研究材料的“平均值”變化，不適用于某些特殊的界面和表面分析。而日立熱分析儀靈敏度高，可測(cè)量微克樣品，實(shí)現(xiàn)了過(guò)去做不到的界面分析。

　　“高分子混合物由兩種物質(zhì)混合時(shí)，以前無(wú)法判別AB聚合物融合的界面的濃度梯度大小。而通過(guò)熱分析，我們可以觀察到界面的物質(zhì)濃度和分布面積?！?p>　　無(wú)論是日常生活，還是在最先進(jìn)的領(lǐng)域，使用單一組成的高分子的案例少之又少。由于高分子材料可充分發(fā)揮混合高分子的所有特性，現(xiàn)已成為當(dāng)今時(shí)代的迫切要求，界面分析的重要性也日益凸顯。

　　“并不是均勻地混合不同的高分子形成高分子復(fù)合材料，而是進(jìn)行局部處理，使得到的高分子復(fù)合材料具備新特性。如果界面處理不當(dāng)，力學(xué)特性會(huì)很差，而且得到的高分子復(fù)合材料沒(méi)有實(shí)用價(jià)值。雖然一定程度上實(shí)現(xiàn)了相分離，但是部分分子還是會(huì)相互融合，因此界面問(wèn)題的解決對(duì)于現(xiàn)代生產(chǎn)領(lǐng)域至關(guān)重要?！?p>　　乍一看，化妝品似乎與汽車(chē)輪胎毫不相干。了解皮膚角質(zhì)層的組成細(xì)胞和細(xì)胞間脂質(zhì)的界面狀態(tài)對(duì)于化妝品來(lái)說(shuō)尤為關(guān)鍵。什么時(shí)間，什么樣的化妝品，如何使用會(huì)有效果?吉田老師和學(xué)生們結(jié)合物質(zhì)界面因素，研究化妝品成分在角質(zhì)層的分散情況。

　　無(wú)論是輪胎還是化妝品，“達(dá)到納米級(jí)別會(huì)是什么樣子”，這項(xiàng)評(píng)估的重要性從未改變。吉田老師聯(lián)用原子力顯微鏡(AFM)對(duì)樣品進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，以提高整體熱性能評(píng)價(jià)和分析精度水平。吉田老師曾參觀過(guò)由日立高新科學(xué)研發(fā)的原子力顯微鏡國(guó)產(chǎn)1號(hào)機(jī)。通過(guò)不斷提高儀器的靈敏度，“以前使用熱分析無(wú)法觀察到的，可通過(guò)AFM實(shí)現(xiàn)，而僅用AFM無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，利用熱分析數(shù)據(jù)又可以知曉”。其中，我們可以在使用AFM觀察皮膚結(jié)構(gòu)的同時(shí)，通過(guò)熱分析儀觀察皮膚細(xì)胞間角質(zhì)層結(jié)構(gòu)的變化過(guò)程。

　　吉田老師畢業(yè)時(shí)正值經(jīng)濟(jì)高度增長(zhǎng)期，高分子材料作為生產(chǎn)領(lǐng)域的原材料，與金屬相比，種類(lèi)還是少之又少。之后，高分子材料發(fā)展迅速，應(yīng)用廣泛，未來(lái)前景也十分可觀。

　　“說(shuō)起一輛最新型電動(dòng)汽車(chē)使用的高分子材料量，算上車(chē)身我想應(yīng)該是相當(dāng)多。原來(lái)用金屬，現(xiàn)在大量的開(kāi)始采用有機(jī)材料?！?p>

　　表面、界面分析向環(huán)保難題挑戰(zhàn)

　　未來(lái)在醫(yī)療和通信領(lǐng)域?qū)⒅赝七M(jìn)高分子的科研工作。吉田老師十分重視環(huán)保問(wèn)題。

　　“如何減少二氧化碳的排放?如何減少垃圾的產(chǎn)生?我認(rèn)為這是關(guān)乎環(huán)境的最重要的兩個(gè)問(wèn)題。那么對(duì)于如何減少?gòu)U棄物品，如何有效實(shí)現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)換，能量轉(zhuǎn)換和物質(zhì)轉(zhuǎn)換尤為重要，使用高分子材料合成產(chǎn)品也十分重要。”

　　為解決這一環(huán)保課題，吉田老師全身心投入到放射性物質(zhì)的研究中。吉田實(shí)驗(yàn)室研發(fā)了一種新型纖維，可在高分子表面形成普魯士藍(lán)的納米晶體，并使用過(guò)濾裝置過(guò)濾98%以上的原子彈爆炸中釋放的放射性銫離子。過(guò)濾裝置不僅可以吸附放射性銫，還可以作為環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用。為查證水中放射性銫的分布情況，目前在福島各地區(qū)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。美國(guó)土壤受放射性銫污染嚴(yán)重，吉田研究室使用過(guò)濾裝置治理污染的方式得到了美國(guó)環(huán)保局科研人員的高度關(guān)注。

　　“吸附放射性銫的過(guò)濾裝置研發(fā)成功對(duì)于福島人民意義深遠(yuǎn)，進(jìn)而言之，這項(xiàng)研究將造福于日本乃至世界，所以這項(xiàng)研究也必須要堅(jiān)持下去?！?p>　　從熱性能評(píng)價(jià)到新材料的研發(fā)

　　吉田老師在新材料研發(fā)和環(huán)?；顒?dòng)等一系列研究中，圍繞高分子表面和界面進(jìn)行了多項(xiàng)調(diào)查，以真實(shí)反映社會(huì)現(xiàn)狀和需求，為世人呈現(xiàn)更多彩的世界。雖然各項(xiàng)研究的目的不同，但科研人員憑借強(qiáng)烈的好奇心展開(kāi)實(shí)用性的探索。這里我講一件趣事兒，小學(xué)5年級(jí)的時(shí)候，我對(duì)煙花非常好奇，便混合火藥，自制煙花。因?yàn)檫@事兒還被媽媽狠狠地罵了一頓，現(xiàn)在回想起來(lái)覺(jué)得挺好笑的。

　　目前小學(xué)生也能夠接觸到電子顯微鏡，鑒于此現(xiàn)狀，吉田老師談到“如何培養(yǎng)孩子對(duì)科學(xué)的興趣十分重要”，他從用戶角度出發(fā)，十分期待以日立高新技術(shù)為主的測(cè)量?jī)x器廠家能夠盡快研發(fā)出更多的“最先進(jìn)的研究裝置和一般人可輕松操作的裝置”、并且產(chǎn)品可滿足高性能和通用性這兩種需求?？蒲腥藛T站在歷史車(chē)輪最前線，應(yīng)明確將用戶的真實(shí)意見(jiàn)和需求傳達(dá)給廠商。DSC7000X可滿足用戶的“DSC靈敏度提高100倍”的需求。

　　“這是至關(guān)重要的一點(diǎn)，為滿足用戶需求，我們一鼓作氣開(kāi)展科研工作，只要用戶說(shuō)出自身的需求，我們就會(huì)付諸于實(shí)踐，并全力以赴。所以用戶反饋十分重要?！?p>　　吉田老師于2016年3月退休，但是他還繼續(xù)為企業(yè)科研項(xiàng)目提供寶貴意見(jiàn)，圍繞放射性物質(zhì)研究項(xiàng)目以及物質(zhì)如何識(shí)別界面，材料厚度和尺寸對(duì)界面的影響，他連同日立高新技術(shù)其他科研人員一起鉆研調(diào)查，干勁十足。最終實(shí)現(xiàn)了以前做不到的熱性能評(píng)價(jià)和分析，為新材料的研發(fā)提供更多的可能性。從界面評(píng)價(jià)到引領(lǐng)新時(shí)代產(chǎn)業(yè)發(fā)展的材料研發(fā)。吉田老師開(kāi)拓了肉眼看不到的微觀世界的無(wú)限可能性。

　　(采訪·撰稿：石橋今日美)

　　編者按

　　弄清每個(gè)分子的性質(zhì)，充分發(fā)揮其特點(diǎn)。就像是理想型育兒一樣。吉田老師發(fā)掘分子的無(wú)限可能性時(shí)，猶如對(duì)待自己的孩子一般。我忽然想起了一件事。20多年前，日立高新技術(shù)公司的某位老師講過(guò)，“界面研究方面的一位頂尖老師曾說(shuō)‘分子也有感情’”，我不知道他叫什么，斗膽設(shè)想一下，或許他就是那個(gè)老師?

　　吉田老師培養(yǎng)的學(xué)生們會(huì)在解決社會(huì)難題的過(guò)程中不斷進(jìn)步。素材取自20年前體驗(yàn)的“科研奧秘”、“樂(lè)趣”和“開(kāi)拓未來(lái)科學(xué)的可能性”。

　　(編輯：大塚智惠)

?