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相图复杂多嵌段共聚物在本体与几何受限下自组装,

收藏本文 2024-02-25 点赞:22634 浏览:98159 作者:网友投稿原创标记本站原创

摘要:嵌段共聚物因其能自组装形成10-100nm左右的微观纳米结构而倍受人们的关注。在过去的几十年内,许多探讨领域包括化学、物理以及材料科学的科学家对它进行了大量深入的探讨,通过这些探讨发现嵌段共聚物在许多方面比如光子晶体、量子器件以及有机太阳能电池等方面有着突出的运用前景。已经知道简单的两嵌段共聚物能形成层状相、柱状相、Gyroid、球状相、Fddd、O70以及穿孔层等一系列的有序纳米结构,但是它所能形成的纳米结构种类是有限的,这样嵌段共聚物在实际工业中的运用就会受到大大的限制。由此如何调控嵌段共聚物的自组装得到丰富的有序纳米结构不仅能丰富我们对其自组装的理解,更将有助于提升其在实际工业中的运用。为了得到更多丰富的纳米结构,通常可以采取以下两种策略对嵌段共聚物进行探讨,一是增加链段的复杂性,二是引入几何受限。针对这两种策略,我们通过利用自洽平均场论述(Self-Consistent Mean Field Theory SCMFT)和含时间的Ginzburg Landau论述(Time-Dependent Ginziburg-Landau TDGL)探讨了各种复杂拓扑结构嵌段共聚物的自组装以及嵌段共聚物在几何受限下的自组装,包括热力学平衡态以及动力学的探讨。通过这两种策略,我们能得到许多有序的纳米结构。主要的探讨内容与结果如下:1.在AB两嵌段共聚物增加另外一个嵌段C,探讨ABC星型三嵌段共聚物,由于有五个独立变量能够影响ABC三嵌段共聚物相分离,为了减少计算量,我们固定三种相互作用参数,得到一种三维结构和十种几何多边形堆砌结构,并且构建这些结构的三角相图。在这些结构中,有一种HL (Hierarchical Lamellae)的相结构,在这种结构里,相邻B/C层之间有着0°到180°的相位差。我们通过特定初始化条件得到了整个相位差范围内的一系列构型如22.5°、45°、67.5°、90°等等,通过探讨发现,大角度的构型如180°具有低的熵能以及高的相互作用能,绝大部分情况下熵能占据主导作用以而180°构型比较稳定,但是各种构型的相对稳定性可以通过转变相对体积分数以及相互作用参数加以调节。2.进一步增加链段复杂性,探讨A(BC)nB以及A(BC)nBAt多嵌段共聚物。A(BC)2B能自组装形成平行嵌套层Lk和(其中k为小层的层数)垂直嵌套层L⊥结构。通过得到的相图发现L⊥结构只有在χBCNχABNχACN条件下才能稳定有着,这样的规律在其他的多嵌段系统如A(BC)nB和A(BC)n也有着,即便是最简单的ABC线型聚合物也适用。在A(BC)nBA'多嵌段共聚物中,尾链的体积分数会影响Lk结构的k的数目。大的体积分数fA有利于少层结构的形成。进一步增加或减少体积分数的时候,能形成嵌套的柱状结构,而B/C嵌段的相分离又会影响嵌套柱状结构的稳定性。3.除了增加链段复杂性之外,几何受限的引入也能诱导新型有序纳米结构的形成,这里我们主要探讨星型三嵌段共聚物在圆柱受限下的自组装,在我们所选的参数条件下,体相形成HL结构,当引入圆柱受限之后,在两维(2D)计算中,这些HL结构平行圆柱表面排列形成有趣的花瓣型结构,并且通过转变受限尺寸能调控花瓣的数目,在三维(3D)计算中,B/C相分离得到的层垂直于圆柱表面沿圆柱轴向排列。最后我们浅析比较了这两类结构的稳定性。4.通过探讨,我们发现受限的引入不但能形成新型的有序纳米结构,同时也能诱导长程有序结构的形成。对于两嵌段共聚物在一定的条件下能形成六角排列的纳米结构,我们通过引入六边形的几何受限,得到Lx/L0=25倍的长程有序结构,我们用TDGL论述探讨有序化程度随着时间的演化,发现有序化历程分为两个阶段,一是消灭缺陷形成初步有序结构,二是在初步有序结构的基础上,调整链的拉伸以及压缩得到最终有序结构。关键词:嵌段共聚物论文自组装论文受限论文自洽场论述论文TDGL论文相图论文

    摘要7-9

    Abstract9-12

    第一章 绪论12-30

    1.1 引言12-13

    1.2 自洽场论述的进展历程13-14

    1.3 自洽场论述的公式推导14-23

    1.3.1 两嵌段共聚物的高分子链模型14-17

    1.3.2 平均场近似17

    1.3.3 自洽场论述17-20

    1.3.4 扩散方程的分步傅里叶变换求解法20-23

    1.4 TDGL论述介绍23-24

    1.5 本论文探讨的目的、内容及作用24-26

    -48

    2.3.1 星型三嵌段共聚物微相分离相图33-39

    2.3.2 HL结构的稳定性探讨39-48

    2.4 本章结论48-49

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