Single polymer studies have revealed unexpected and heterogeneous dynamics among identical or seemingly similar macromolecules. In recent years, direct observation of single polymers has uncovered broad distributions in molecular behavior that play a key role in determining bulk properties. Early single polymer experiments focused primarily on biological macromolecules such as DNA, but recent advances in synthesis, imaging, and force spectroscopy have enabled broad exploration of chemically diverse polymer systems. In this Viewpoint, we discuss the recent study of synthetic polymers using single-molecule methods. In terms of polymer synthesis, direct observation of single chain polymerization has revealed heterogeneity in monomer insertion events at catalytic centers and decoupling of local and global growth kinetics. In terms of single polymer visualization, recent advances in super-resolution imaging, atomic force microscopy (AFM), and liquid-cell transmission electron microscopy (LC-TEM) can resolve structure and dynamics in single synthetic chains. Moreover, single synthetic polymers can be probed in the context of bulk material environments, including hydrogels, nanostructured polymers, and crystalline polymers. In each area, we highlight key challenges and exciting opportunities in using single polymer techniques to enhance our understanding of polymer science. Overall, the expanding versatility of single polymer methods will enable the molecular-scale design and fundamental understanding of a broad range of chemically diverse and functional polymeric materials.

中文翻译：

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高分子科学100周年视点：合成高分子的单分子研究

单一聚合物研究揭示了相同或看似相似的大分子之间出乎意料的异质动力学。近年来，对单一聚合物的直接观察揭示了分子行为的广泛分布，这在确定整体性能方面起着关键作用。早期的单聚合物实验主要集中在 DNA 等生物大分子上，但合成、成像和力谱学方面的最新进展使得对化学多样性聚合物系统的广泛探索成为可能。在这个观点中，我们讨论了最近使用单分子方法对合成聚合物的研究。在聚合物合成方面，对单链聚合的直接观察揭示了催化中心单体插入事件的异质性以及局部和全局生长动力学的解耦。在单个聚合物可视化方面，超分辨率成像、原子力显微镜 (AFM) 和液细胞透射电子显微镜 (LC-TEM) 的最新进展可以解析单个合成链的结构和动力学。此外，可以在散装材料环境中探测单一合成聚合物，包括水凝胶、纳米结构聚合物和结晶聚合物。在每个领域，我们都强调了使用单一聚合物技术来增强我们对聚合物科学的理解的关键挑战和令人兴奋的机遇。总体而言，单一聚合物方法不断扩大的多功能性将使分子尺度设计和对广泛的化学多样性和功能性聚合物材料的基本理解成为可能。液体细胞透射电子显微镜（LC-TEM）可以解析单个合成链的结构和动力学。此外，可以在散装材料环境中探测单一合成聚合物，包括水凝胶、纳米结构聚合物和结晶聚合物。在每个领域，我们都强调了使用单一聚合物技术来增强我们对聚合物科学的理解的关键挑战和令人兴奋的机遇。总体而言，单一聚合物方法不断扩大的多功能性将使分子尺度设计和对广泛的化学多样性和功能性聚合物材料的基本理解成为可能。液体细胞透射电子显微镜（LC-TEM）可以解析单个合成链的结构和动力学。此外，可以在散装材料环境中探测单一合成聚合物，包括水凝胶、纳米结构聚合物和结晶聚合物。在每个领域，我们都强调了使用单一聚合物技术来增强我们对聚合物科学的理解的关键挑战和令人兴奋的机遇。总体而言，单一聚合物方法不断扩大的多功能性将使分子尺度设计和对广泛的化学多样性和功能性聚合物材料的基本理解成为可能。包括水凝胶、纳米结构聚合物和结晶聚合物。在每个领域，我们都强调了使用单一聚合物技术来增强我们对聚合物科学的理解的关键挑战和令人兴奋的机遇。总体而言，单一聚合物方法不断扩大的多功能性将使分子尺度设计和对广泛的化学多样性和功能性聚合物材料的基本理解成为可能。包括水凝胶、纳米结构聚合物和结晶聚合物。在每个领域，我们都强调了使用单一聚合物技术来增强我们对聚合物科学的理解的关键挑战和令人兴奋的机遇。总体而言，单一聚合物方法不断扩大的多功能性将使分子尺度设计和对广泛的化学多样性和功能性聚合物材料的基本理解成为可能。