ABA和ABC三嵌段共聚物自组装行为的模拟退火研究

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由于嵌段共聚物可以形成纳米尺度的周期性结构,因此无论在实验上还是在理论上都受到了人们的广泛关注。两嵌段共聚物是理解嵌段共聚物相行为的最简单的模型,目前,对其熔体相行为已经有很好的认识一它能够形成稳定的层状相,柱状相,球状相以及双连通相(gyorid)。为了寻找更多复杂的周期性结构,人们进行了多方面的尝试。其中一个尝试是将两嵌段共聚物放入受限环境中,例如一维受限的平行板,或者二维受限的柱状纳米孔;受限是使结构产生对称破缺的有效方法,因此可使材料呈现新的相行为。另一个尝试就是增加嵌段数目,形成链结构复杂的嵌段共聚物,例如三嵌段共聚物或多嵌段共聚物。ABA线形三嵌段共聚物是复杂嵌段共聚物的一个特例,因其结构相对简单,熔体形态与AB两嵌段共聚物相似而成为研究热点。本论文采用基于简立方格点模型的模拟退火方法,围绕这两方面的尝试开展了系列研究工作。首先研究受限在纳米孔内的对称ABA三嵌段共聚物体系的相行为;其次初步探讨了ABC线形三嵌段共聚物的熔体形态。以期通过我们的研究能够深化对这些体系相行为的理解,从而指导实验有目的地调控系统参数,得到更多新颖的自组装结构。 在论文第二章中研究了A、B组分不等的对称ABA三嵌段共聚物受限在柱状纳米孔内的自组装行为。系统地考察了具有不同链结构的两种三嵌段共聚物,ABA和BAB。体相中,A嵌段形成呈六角排列的柱状结构,柱间的距离为L0,B嵌段形成基体。受限时,孔壁对B嵌段有强吸引作用。研究了受限程度即不同孔径(D)和链结构对自组装形态、链构象,有序-无序转变温度(TODT)和桥状(bridge)链比例分数vB的影响。发现在受限环境下共聚物会在柱状孔中自发形成不同于体相的新颖结构,比如螺旋结构,层叠环等。研究表明这些新颖结构对孔径体相周期比(D/L0)有很强的敏感度。同时还对处在相同受限环境下的ABA和BAB三嵌段共聚物形态的相似性和差别进行了讨论。提出了一种简单模型来解释桥状链和环状链的均方回旋半径。并且和对应的AB两嵌段共聚物的结果进行了比较。 在论文第三章中对受限在柱状纳米孔中体相为层状相的对称ABA三嵌段共聚物的自组装行为进行研究。系统地研究了自组装形态和结构参数对受限程度和孔壁-单体相互作用的依赖关系。发现在相同受限情况下组分为fA=1/2的对称ABA三嵌段共聚物具有和对称AB两嵌段共聚物相似的自组装形态。还发现不同结构参数可以反映不同信息。对体相中桥状链比例分数vB大小的预测值和之前的研究报道结果具有很好的一致性;对受限形态的研究表明,vB会随受限程度和孔壁一单体相互作用的改变而变化。通过进一步观察体系形态、各种热力学量和结构参数的系综平均值随退火温度的变化,考察了受限体系的自组装过程。在论文第四章中对ABC线形三嵌段共聚物体系的相行为进行了初步研究。考察了嵌段组分及不同嵌段之间相互作用对自组装形态的影响,除ABC层状结构外,还得到了层界面柱结构和层中柱结构。前者中A,C单体分别形成层结构,B单体则在A、C层界面处形成柱状结构。后者中C单体形成层状结构,A单体和B单体共同形成层状结构并且A单体在该层内形成柱状结构。形成这两种结构的共聚物组分分别与Stadler工作组和Hayashida工作组的实验结果相吻合。
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