南开大学孙平川研究员课题组综述：固体核磁共振技术在高分子表征研究中的应用

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2021年4月20日 11:27

核磁共振(NuclearMagnetic Resonance，NMR)技术从发现到应用的半个多世纪中已经五次获得诺贝尔奖，在应用上覆盖了化学、物理、生物、医学与材料科学等众多学科领域。由于核自旋具有与空间和时间相关的多种不同各向异性相互作用，因此核自旋探针天然具有独特的多尺度特性，可以原位检测从原子至100 nm的空间尺度以及10^-9-10² s的时间尺度上丰富的微观结构和动力学信息(图1)。固体NMR(solid-state NMR)实验技术主要是建立在消除、利用或部分选择重聚特定核自旋各向异性相互作用的基础上发展而来。高分子材料的结构和动力学极其复杂，对其进行详细的表征既具有挑战性又不可或缺。随着NMR理论和谱仪技术的不断发展，固体NMR在高分子科学研究领域正发挥着越来越重要的作用，在精准获取高分子多尺度微观结构和动力学信息上展现出独特的优点，已成为高分子多级结构表征和复杂动力学过程分析，以及阐明材料微观结构与宏观物理化学性质关系的有力工具，几乎涵盖了高分子研究的各个领域(图2)，适用于包括聚合物溶液、熔体、凝胶、液晶、晶态及非晶态固体等不同的物质状态。固体NMR不但可以研究化学键和微观相互作用对聚集态结构的影响，还可以揭示高分子中复杂的链运动模式、结晶机理、玻璃化转变以及微相分离演化规律等，因此对高分子物理理论的发展也具有重要的意义, 对高分子科学的发展起到了重要的推动作用。

南开大学孙平川研究员课题组综述：固体核磁共振技术在高分子表征研究中的应用的图1

图1 NMR核自旋探针的多尺度特性及其用于表征高分子多尺度结构和动力学的示意图

南开大学孙平川研究员课题组综述：固体核磁共振技术在高分子表征研究中的应用的图2

图2 固体NMR技术在高分子表征中的典型应用

南开大学王粉粉等人围绕近年来固体NMR技术在高分子表征领域的应用和进展进行了总结。该综述从固体NMR技术的基础原理出发，分别对固体NMR实验中魔角旋转、交叉极化、同核与异核去耦等重要实验技术的基本原理、实验方法和操作技巧等内容进行了简介，并对其在若干典型高分子体系表征中的应用进行了举例详述。文章结尾对固体NMR技术近期热点和未来发展进行了介绍和展望，例如高达150kHz的超高速魔角旋转、1.5GHz高强磁场谱仪及动态核极化(DNP)技术等。未来可以预期，这些固体NMR新方法和新技术的不断发展和应用将使我们对化学、材料和生命科学的认识上升到一个新的层次。特别是通过表征和揭示复杂高分子体系中的多尺度结构与动力学，在解决诸如动态键驱动的交联网络结构演化和玻璃化转变机理等挑战性科学问题中实现新的突破，将为构筑高性能高分子材料和发展高分子物理理论不断提供新的认识。

该综述即将在《高分子学报》“高分子表征技术专题”（doi: 10.11777/j.issn1000-3304.2020.20254）印刷出版, 南开大学化学学院王粉粉博士后和孙平川研究员为通讯作者。

原文链接：

http://www.gfzxb.org/article/doi/10.11777/j.issn1000-3304.2020.20254

来源：高分子学报

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