为了制造有机和无机的混合材料，异种材料之间的纳米级结合非常重要。在制作汽车轮胎时，为了提高橡胶材料的性能，会添加二氧化硅纳米颗粒，同时为了增强橡胶和二氧化硅之间的结合，还需添加偶联剂。要了解这种偶联剂如何发挥作用，就必须观察不同材料之间的界面，但是传统方法无法做到直接观察。
利用中子以及氢的自旋性质，研究人员揭示了橡胶材料和二氧化硅之间的结合状态（供图：日本原子力研究开发机构）
日本原子力研究开发机构物质科学研究中心/J-PARC中心的熊田高之研究主干、山形大学的西辻祥太郎副教授、日本综合科学研究机构的阿久津和宏副主任技师、三重大学的鸟饲直也教授、横滨橡胶公司的网野直也理事、京都大学的竹中干人教授等人组成的联合研究团队，通过利用自旋对比调制中子反射率法，成功观察到橡胶和二氧化硅纳米粒子界面上偶联剂形成单分子层的现象。熊田研究主干表示：“此次研究发现，样品制备的方法会改变结合的方式。希望这一发现能够改进硅烷偶联剂的选择和制造工艺，以及推进各种混合材料的开发。”该研究成果已经发表在期刊《The Journal of Physical Chemistry C》上。
自旋对比调制中子反射率法是一种在照射中子时，通过将材料中所含氢的自旋朝一个方向排列来识别多个界面上的反射，从而精确测定材料结构的方法。这一方法由原子力机构于2019年开发。
此次测量的样品包括同时涂覆样品和依次涂覆样品两种。同时涂覆样品是在高速旋转的硅基板上涂覆橡胶材料（聚丁二烯）和硅烷偶联剂的混合溶液后，在120℃下进行热处理而得到的。依次涂覆的样品是将硅基板浸渍在硅烷偶联剂溶液中后，再旋涂聚丁二烯溶液而得到的。
分析结果显示，在同时涂覆样品中，硅烷偶联剂的甲硅烷基与硅基板表层的二氧化硅形成了结合在一起的单分子层，而且位于硅烷偶联剂另一侧的烷基与聚丁二烯链出现了相互渗透。相比之下，在依次涂覆样品中，样品冷却时厚度为20纳米的聚丁二烯层已经剥落，聚丁二烯链也出现了分离脱落。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
杂志：The Journal of Physical Chemistry Ｃ
论文：Interpenetration of Rubber and Silane Coupling Agent on an Inorganic Substrate Revealed by Spin-Contrast-Variation Neutron Reflectivity
DOI：doi.org/10.1021/acs.jpcc.4c00963
