本文轉(zhuǎn)載日立高新技術公司《SI NEWS》第58-1刊，刊載了吉田博久老師撰寫的“使用AFM和DSC觀察高分子相分離界面”，為讀者介紹了結合原子力顯微鏡和熱分析對高分子混合物的相分離界面，分別進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東京南大澤校園的實驗室，零距離接觸吉田老師，還觀摩了他研發(fā)新材料的過程。?

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　　吉田博久，1974年畢業(yè)于東京農(nóng)工大學。曾任日本熱分析學會會長一職，現(xiàn)任東京都立大學研究生院城市環(huán)境科學研究科教授。主要致力于高分子化學領域，對有機分子集合體進行納米結構的研究等。

　　1986年榮獲纖維學會論文獎

　　2007年榮獲文部科學大臣表彰 科學技術獎。

　　感受科研的樂趣，開啟分子世界

　　有時偶然因素會左右人的判斷，對未來結果產(chǎn)生巨大影響。吉田博久先生從事高分子研究工作，是深受當時社會環(huán)境的影響。

　　“我上研一的時候，全球第一次石油危機爆發(fā)，新生們的就業(yè)前景十分堪憂。我一開始覺得進了研究生院，也算是找到工作了。但是在我們實驗室，成績差的學生會被叫到實驗室外?！?p>　　其中就有吉田先生，大四的時候他在橫濱的工業(yè)技術院纖維高分子材料研究所(前身：產(chǎn)業(yè)技術綜合研究所)工作過一年。1918年絹業(yè)實驗室成立，這是當時唯一一家研究高分子材料的公立機構，由此開啟了研究所的新未來。

　　“如果我沒去絹業(yè)實驗室，應該會成為一個普通小職員。就在這個重要時期，我遇到了三位恩師，他們給日本化學帶來了黎明的曙光。人都十分熱心，他們并不是直接教給學生科研知識，而是讓大家一起鉆研”

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

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

　　控制高分子結構，迎合時代需求

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

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

　　“我們也稱之為‘分子積木’，例如，我們在生產(chǎn)高性能的傳感器時，首先要考慮的就是結構。然后在高分子膜外側(cè)，緊密排列官能團。所以首先要考慮的是如何設計高分子。通過單體控制結構，直接形成高分子，然后進行固化?！?p>　　以最大程度發(fā)揮分子特性，設計分子排列順序，結構固定后的分子聚集體可應用到能源、醫(yī)療、環(huán)境等多個領域。為推進新材料和產(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，有時一年要和5、6家公司合作，他們就各自的看法展開討論。

　　例如，在正常行駛和停車時汽車“低滾動阻力輪胎”所需要的阻力，正是影響燃油經(jīng)濟性的因素。為滿足更高的用戶需求，輪胎必須采用納米結構材料。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公司研發(fā)的DSC進行熱分析。值得一提的是，日立高新技術的DSC7000X靈敏度比前代儀器提高了3個數(shù)量級。之前熱分析只能測定毫克級別，而DSC7000X產(chǎn)品可以實現(xiàn)微克級別。”

　　熱分析迎來了表面和界面分析的新時代

　　2009年至2011年期間吉田先生擔任日本熱分析學會會長一職，據(jù)他所說，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，可測量微克樣品，實現(xiàn)了過去做不到的界面分析。

　　“高分子混合物由兩種物質(zhì)混合時，以前無法判別AB聚合物融合的界面的濃度梯度大小。而通過熱分析，我們可以觀察到界面的物質(zhì)濃度和分布面積?！?p>　　無論是日常生活，還是在最先進的領域，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)已成為當今時代的迫切要求，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合材料，而是進行局部處理，使得到的高分子復合材料具備新特性。如果界面處理不當，力學特性會很差，而且得到的高分子復合材料沒有實用價值。雖然一定程度上實現(xiàn)了相分離，但是部分分子還是會相互融合，因此界面問題的解決對于現(xiàn)代生產(chǎn)領域至關重要?！?p>　　乍一看，化妝品似乎與汽車輪胎毫不相干。了解皮膚角質(zhì)層的組成細胞和細胞間脂質(zhì)的界面狀態(tài)對于化妝品來說尤為關鍵。什么時間，什么樣的化妝品，如何使用會有效果?吉田老師和學生們結合物質(zhì)界面因素，研究化妝品成分在角質(zhì)層的分散情況。

　　無論是輪胎還是化妝品，“達到納米級別會是什么樣子”，這項評估的重要性從未改變。吉田老師聯(lián)用原子力顯微鏡(AFM)對樣品進行結構分析，以提高整體熱性能評價和分析精度水平。吉田老師曾參觀過由日立高新科學研發(fā)的原子力顯微鏡國產(chǎn)1號機。通過不斷提高儀器的靈敏度，“以前使用熱分析無法觀察到的，可通過AFM實現(xiàn)，而僅用AFM無法實現(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觀察皮膚結構的同時，通過熱分析儀觀察皮膚細胞間角質(zhì)層結構的變化過程。

　　吉田老師畢業(yè)時正值經(jīng)濟高度增長期，高分子材料作為生產(chǎn)領域的原材料，與金屬相比，種類還是少之又少。之后，高分子材料發(fā)展迅速，應用廣泛，未來前景也十分可觀。

　　“說起一輛最新型電動汽車使用的高分子材料量，算上車身我想應該是相當多。原來用金屬，現(xiàn)在大量的開始采用有機材料?！?p>

　　表面、界面分析向環(huán)保難題挑戰(zhàn)

　　未來在醫(yī)療和通信領域?qū)⒅赝七M高分子的科研工作。吉田老師十分重視環(huán)保問題。

　　“如何減少二氧化碳的排放?如何減少垃圾的產(chǎn)生?我認為這是關乎環(huán)境的最重要的兩個問題。那么對于如何減少廢棄物品，如何有效實現(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?！?p>　　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。吉田實驗室研發(fā)了一種新型纖維，可在高分子表面形成普魯士藍的納米晶體，并使用過濾裝置過濾98%以上的原子彈爆炸中釋放的放射性銫離子。過濾裝置不僅可以吸附放射性銫，還可以作為環(huán)境監(jiān)測系統(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)進行驗證試驗。美國土壤受放射性銫污染嚴重，吉田研究室使用過濾裝置治理污染的方式得到了美國環(huán)保局科研人員的高度關注。

　　“吸附放射性銫的過濾裝置研發(fā)成功對于福島人民意義深遠，進而言之，這項研究將造福于日本乃至世界，所以這項研究也必須要堅持下去?！?p>　　從熱性能評價到新材料的研發(fā)

　　吉田老師在新材料研發(fā)和環(huán)?；顒拥纫幌盗醒芯恐校瑖@高分子表面和界面進行了多項調(diào)查，以真實反映社會現(xiàn)狀和需求，為世人呈現(xiàn)更多彩的世界。雖然各項研究的目的不同，但科研人員憑借強烈的好奇心展開實用性的探索。這里我講一件趣事兒，小學5年級的時候，我對煙花非常好奇，便混合火藥，自制煙花。因為這事兒還被媽媽狠狠地罵了一頓，現(xiàn)在回想起來覺得挺好笑的。

　　目前小學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)孩子對科學的興趣十分重要”，他從用戶角度出發(fā)，十分期待以日立高新技術為主的測量儀器廠家能夠盡快研發(fā)出更多的“最先進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站在歷史車輪最前線，應明確將用戶的真實意見和需求傳達給廠商。DSC7000X可滿足用戶的“DSC靈敏度提高100倍”的需求。

　　“這是至關重要的一點，為滿足用戶需求，我們一鼓作氣開展科研工作，只要用戶說出自身的需求，我們就會付諸于實踐，并全力以赴。所以用戶反饋十分重要。”

　　吉田老師于2016年3月退休，但是他還繼續(xù)為企業(yè)科研項目提供寶貴意見，圍繞放射性物質(zhì)研究項目以及物質(zhì)如何識別界面，材料厚度和尺寸對界面的影響，他連同日立高新技術其他科研人員一起鉆研調(diào)查，干勁十足。最終實現(xiàn)了以前做不到的熱性能評價和分析，為新材料的研發(fā)提供更多的可能性。從界面評價到引領新時代產(chǎn)業(yè)發(fā)展的材料研發(fā)。吉田老師開拓了肉眼看不到的微觀世界的無限可能性。

　　(采訪·撰稿：石橋今日美)

　　編者按

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

　　吉田老師培養(yǎng)的學生們會在解決社會難題的過程中不斷進步。素材取自20年前體驗的“科研奧秘”、“樂趣”和“開拓未來科學的可能性”。

　　(編輯：大塚智惠)

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