两嵌段共聚物在几何受限下的自组装动力学研究

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嵌段共聚物可以自组装形成丰富的微相结构,而这些微相结构存在潜在的工业应用价值,因此这一领域受到了研究者们的广泛关注。对最简单的AB两嵌段共聚物在体相中发生的微观相分离,自组装形成四种稳定的相结构:层状相、双连通的Gyroid相、六角排列的柱状相和呈体心排列的球状相。然而这些相结构缺陷较多,无法满足实际的工业应用需求。为获得长程有序纳米结构,几何受限通常是诱导体系发生这一转变的有效方法之一。几何受限的引入,改变了原有体相结构的对称性、几何表面的曲率以及相互作用等,所以能获得原有体相中无法获得的新颖微相结构。鉴于此,本文采用基于含时金兹堡—朗道(Time-Dependent Ginzburg-Landau,TDGL)理论的元胞动力学模拟(Cell Dynamics Simulation,CDS)方法研究了两嵌段共聚物在三维受限体系下的自组装形态。具体进行了以下三方面的研究:  首先,在体相中计算了层状相和球状相两嵌段共聚物的本体周期。接下来,是我们研究工作的主要部分。针对体相中的球状相在圆柱受限下的自组装相行为进行了分析,结果表明,该形态由圆柱体的孔径与球状相本体周期的比值、共聚物和受限表面之间的相互作用共同决定。同时,我们还发现,在不同的条件下两嵌段共聚物可以自组装形成:一根直柱、单螺旋、双螺旋、三螺旋、倾斜圆环、外环单螺旋和内环一串球、外环圆环和内环一串球、外环单螺旋和内直柱、外环双螺旋和内直柱等丰富的相结构。并且,在统计了单螺旋结构的相关长度和左/右手性比例后,我们发现其比例约为1∶1。此外,在标定的平衡态相变区域内,讨论了长体系下两种真正的长程有序相结构:一根直柱和堆叠的圆盘。而且,我们发现在长体系下,相邻两个不同自由能状态下的相变区域变得很小,例如堆叠的圆盘和单螺旋、以及单螺旋和双螺旋之间,甚至存在两个退化的状态,左手性和右手性螺旋形态。同时还观察到在该体系中可以同时存在两种及两种以上的相结构,包括共存的堆叠的圆盘和单螺旋、共存的左手性和右手性螺旋、以及共存的单螺旋和双螺旋等。在这些相形态的界面之间形成了丰富的缺陷,我们从力学性质方面解释了它们的存在机理。  最后,我们简单地研究了两嵌段共聚物在椭球受限体系下自组装形成的不同形态的微相结构,如单根椭球棒、堆叠的圆环、单螺旋和双螺旋等相结构。
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