用有史以来第一个聚合物Weaire-Phelan结构将开尔文问题的解决方案变为现实

几何学中一类有趣的问题涉及平铺或曲面细分，其中使用一个或多个几何形状覆盖表面或三维空间，其间没有重叠或间隙。一个这样的镶嵌问题是“开尔文问题”，以解决它的开尔文勋爵命名，它涉及“将空间镶嵌成具有最小表面积的等体积单元”。

开尔文结构，正如现在所说的那样，是由双截断八面体形成的凸均匀蜂窝结构。近一百年来，开尔文结构被认为是开尔文问题中最有效的形式，直到Weaire和Phelan通过计算机模拟提出了一种更有效的形式，称为“Weaire-Phelan结构”.

Weaire-Phelan结构由两种晶胞组成——具有两个六角相和十二个五角相的四面体，以及具有五边形面的不规则十二面体，两种晶胞的体积相等。该结构由3/4的十四面体细胞和1/4的十二面体细胞按特定方式排列而成。

在现实世界中，仅在两种情况下观察到Weaire-Phelan结构，即由洗涤剂溶液制成的液体泡沫和钯(Pd)-铅(Pb)合金。有趣的是，从未构建过由聚合物等有机材料制成的Weaire-Phelan结构。

现在，来自日本的一组研究人员已经挺身而出，使用简单的合成程序开发出第一个聚合物Weaire-Phelan结构。这项研究由芝浦工业大学的NaofumiNaga教授领导，于2022年11月9日在线发表在《科学报告》上。该研究是与北海道大学的TamakiNakano教授通过联合使用/研究中心计划合作完成的(文部科学省)。

该团队使用网络聚硫氨酯进行聚合诱导的相分离来构建Weaire-Phelan结构。“拟议的Weaire-Phelan结构具有紧密堆积的微米级均匀颗粒;这是以前从未实现过的。这是由聚合物物种和固体聚合物立方蜂窝体制成的Weaire-Phelan结构的第一个例子通过聚合诱导的相分离，”Naga教授在谈到该团队研究背后的动机时解释道。

为了合成聚合物，该团队使用了两种化合物之间的简单加聚反应——四(3-巯基丙酸酯)(PEMP)和六亚甲基二异氰酸酯(HDI)。该合成方法基于连接-连接概念，其中多功能单体作为连接源单体，α,ω-双功能单体作为连接源单体，形成聚合物网络。

因此，PEMP，一种多功能伯硫醇，作为“联合”源单体，HDI，一种二异氰酸酯，作为“连接”源单体。反应在三乙胺(TEA)的存在下进行，三乙胺作为甲苯中的碱催化剂。

该团队使用25、30和35wt%的单体浓度生产了三个样品，并分别将它们称为样品1、2和3。他们发现样品3呈现出表面具有六边形和五边形面的空间填充多面体粒子，这对应于Weaire-Phelan结构的多面体。此外，使用3D扫描电子显微镜研究样品3的多面体结构，揭示了空间填充多面体的结构，与Weaire-Phelan结构的多面体完全匹配。

“Kelvin提出的立方蜂窝因此在这项工作中形成了Weaire-Phelan结构。根据新的合成方法和结构，这项工作中合成的材料可能在光子学、分离、催化、纳米医学和结构材料中有应用概念。这可以为开发具有不可预见功能的先进材料开辟一个新的研究方向，”Naga教授总结道。