嵌段共聚物自组装的研究进展

嵌段共聚物自组装在光学、电子、信息、化学及生物领域有着广泛的应用前景.本文从实验观测、理论研究和计算机模拟三个方面概述了嵌段共聚物自组装领域的研究进展.在实验观测方面,着重介绍了嵌段共聚物在体相及膜中的自组装及外场调控作用方面的研究进展;理论方面则分别介绍了强分相理论、弱分相理论、自洽场理论、动态密度泛函方法和元胞动力学等在嵌段共聚物自组装领域的应用;计算机模拟方面就 Monte Carlo 模拟、耗散粒子动力学等方法在该领域的应用作了详细的阐述.     

嵌段共聚物的导向自组装

嵌段共聚物由于其在纳米尺度的自组装能力,通过在薄膜中的自组装可以得到特征尺寸小于10nm的周期性图形结构,近年来被广泛研究。导向自组装(Directed Self-Assembly,DSA)充分利用了嵌段共聚物在薄膜中进行自组装的优点,将"自下而上"的嵌段共聚物薄膜自组装技术和"自上而下"的光学光刻或电子束光刻等制备导向图形的技术结合起来。嵌段共聚物通过分子设计可得到层状、柱状、孔洞状等形貌多样的纳米结构。光刻模板表面的化学不均匀性使得嵌段共聚物和基底表面之间的相互作用可控,从而引导嵌段共聚物薄膜在一定的空间取向上定向排列。目前在导向自组装中常用的两种方法有直接在基底表面通过光刻制得前图形模板的制图外延法(几何控制)和基于对光刻模板表面进行化学修饰比如在模板表面接枝上一层中性层材料,从而通过化学诱导实现嵌段共聚物的定向自组装的化学外延法(化学控制)。导向自组装技术通过对微相结构的裁剪、表面修饰和尺寸控制,可以得到特征尺寸更小、密度更大、有序性更好的纳米图形,正逐渐成为最有前途的先进光刻技术方法之一。     

嵌段共聚物自组装的研究进展

自组装是分子间通过非共价键相互作用自发组合形成的一类结构明确、稳定,同时具有某种特定功能或性能的分子聚集体或超分子结构的现象.嵌段共聚物不仅可以在本体中自组装,还能在溶液中自组装.本文综述了嵌段共聚物在溶液中自组装的规律及其主要影响因素,包括嵌段共聚物链段长度、选择性溶剂的性质、嵌段共聚物的浓度、溶液的pH值等;并介绍...     

大分子引发剂用于合成嵌段液晶共聚物的新进展

前有多种制备嵌段液晶共聚物的方法，采用大分子引发剂合成嵌段液晶共聚物，方法简单且易于实施，越来越受到人们的青睐。综述了由大分子引发剂合成嵌段液晶共聚物方面取得的新进展。     

两亲性含糖三嵌段共聚物的合成与自组装研究

以二(2-溴异丁酸)4,4′-联苯酯(BiBBP)为引发剂,采用顺序加料的方法,用原子转移自由基聚合法(ATRP)合成了一系列窄分子量分布的甲基丙烯酸甲酯(MMA)和6-O-甲基丙烯酰基-1,2;3,4-双-O-亚异丙基-α-D-吡喃半乳糖苷(MAIPGal)的三嵌段共聚物.用GPC和1H-NMR表征了聚合物的相对分子量和链段组成.结果表明,通过改变投料顺序可以合成ABA和BAB型2种三嵌段共聚物,改变投料比和控制单体的转化率可以调控聚合物的链段组成.聚合物脱保护后得到两亲性含糖共聚物.用TEM考察了聚合物在水溶液中的自组装行为,表明具有不同链段组成的共聚物可以形成不同形态的聚集体,含糖段组成高的聚合物易于形成大尺寸的胶团,含糖段组成低的聚合物易于形成结构清晰的囊泡、胶束,其中,含糖段在两边的BAB型共聚物易于形成囊泡,含糖段在中央的ABA型共聚物易于形成胶束.     

反应性H形嵌段共聚物的合成和自组装

以2,2′-(α-溴异丁酰氧基甲基)丙酰氯与Mn分别为4000和2×104的双端羟基聚乙二醇(PEG)进行酯化反应,制得了含4个端溴的PEG大分子引发剂.它在溴化亚铜/2,2′-联吡啶的存在下,在甲醇中,引发甲基丙烯酸3-三甲氧基硅丙酯(TMSPMA)单体进行原子转移自由基聚合(ATRP),得到两个不同分子量的H形嵌段共聚物Sam 1和Sam 2.其结构和分子量及分布用核磁共振氢谱及GPC表征.用TEM研究它们在N,N-二甲基甲酰胺和水混合溶剂中的自组装行为.组成为(EG)91-b-(TMSPMA)92的Sam 1生成复合囊泡;组成为(EG)455-b-(TMSPMA)176的Sam 2形成大的囊泡聚集体.     

苯胺四聚体-PEG两亲性嵌段共聚物的合成、表征及自组装行为

以二环己基碳二亚胺（DCC）为缩合剂与聚乙二醇单甲基醚（mPEG）反应的产物再与苯胺四聚体（AT）反应得到了两嵌段共聚物. 采用1H-NMR和FTIR分析方法确认了共聚物的结构,UV-Vis及CV的测试结果表明该共聚物具有良好的电活性特征. 用扫描电镜与光散射的方法对粒径大小进行了测量,共聚物在水溶液中可形成直径125 nm左右的均匀球形组装体,并通过透射电镜确定了组装体的实心结构. 当嵌段共聚物处于中间氧化态时,组装体的尺寸会随着溶液pH值的不同而变化. 对组装体的形成及pH敏感性的可能机理进行了讨论.     

嵌段共聚物薄膜快速自组装方法

嵌段共聚物 (BCP) 薄膜可通过不同的退火方法诱导其微相分离,从而获得大面积圆柱状、层状和球状等纳米图案。这些长程有序的纳米结构形态,已经广泛应用在纳米光刻和电子器件等多个领域中。目前,有效且快速的退火方法仍然是BCP薄膜自组装技术中的研究热点。本文首先介绍了制备BCP薄膜纳米结构图案常用的退火技术,然后综述了三种新型快速退火技术,最后分析总结了这些退火技术的优缺点。     

新型两亲性含糖嵌段聚合物的合成与自组装

以β-环糊精(β-CD)和2-乙基-2-噁唑啉(EtOz)为原料, 通过活性端基化学偶联法制备了乙酰麦芽七糖/聚(2-乙基-2-噁唑啉)两嵌段聚合物(AcMH-b-PEtOz), 借助核磁共振氢谱、红外光谱和凝胶渗透色谱等手段证实了产物的化学结构. 采用核磁共振氢谱、荧光光谱、透射电子显微镜、动态光散射及紫外-可见分光光度等方法探讨了产物在水溶液中的自组装行为. 结果表明, 所得嵌段聚合物直接溶于水后可通过自组装形成纳米球形“核-壳”结构胶束, 同时具有温度响应性. 所得聚合物的临界胶束浓度(cmc)为4~7 mg/L, 平均粒径(d)为83~115 nm, 临界相转变温度(LCST)为49~64 ℃, 并且均可通过PEtOz的链长进行调控.     

嵌段共聚物三维软受限自组装

嵌段共聚物在三维软受限条件下能够组装形成结构有序的聚合物胶束,其在催化、电子器件、光学传感等领域有广泛的应用价值,已经引起了广大科研工作者的关注。众所周知,嵌段共聚物自身性质及组装体内部结构和外部形状都会显著影响嵌段共聚物组装体性质及应用。本文简述了近年来嵌段共聚物三维软受限自组装的方法,分析了影响嵌段共聚物组装结构的内在和外在因素,内在因素主要指嵌段共聚物自身性质,包括嵌段共聚物种类、分子量及嵌段比;外在因素主要包括受限空间尺寸、界面性质、热或溶剂退火等。本文讨论了无机纳米粒子与嵌段共聚物三维软受限共组装,探讨了纳米粒子引入对组装结构影响及其在嵌段共聚物组装体中的分布及排列规律,以及组装结构的潜在应用。最后还讨论了目前嵌段共聚物三维软受限自组装存在的问题,同时对未来的发展方向进行了展望。     

温度敏感性PNIPAM-b-PZLL-b-mPEG三嵌段共聚物的合成与自组装研究

通过大分子引发剂引发ε-苄氧羰基-L-赖氨酸-N-羧酸酐(Lys-NCA)开环聚合和大分子缩合的方法合成了聚(N-异丙基丙烯酰胺)-b-聚(ε-苄氧羰基-L-赖氨酸)-b-聚乙二醇单甲醚三嵌段共聚物(PNIPAM-b-PZLL-b-mPEG).用GPC和1H-NMR对其结构进行了表征.用芘荧光探针法证明了该三嵌段聚合物形成胶束的性质并测定了临界胶束浓度(CMC).动态光散射(DLS)研究表明,在固定PNIPAM-b-PZLL链段长度的情况下,mPEG分子量为2000时,胶束在温度高于临界溶解温度(LCST)时发生聚集,mPEG分子量为5000时,胶束在LCST以上没有发生聚集.     

ABA三嵌段离子型共聚物的合成及溶液自组装

以对二溴苄作引发剂,引发苯乙烯和甲基丙烯酸对硝基苯酚酯(NPMA)相继进行原子转移自由基聚合(ATRP),合成了3个三嵌段聚合物PNPMA-b-PS-b-PNPMA,其中聚苯乙烯段含有146个单元,PNPMA段的结构单元数分别为8、20和36.对这3个三嵌段共聚物分别进行水解反应及与2-氨基吡啶的取代反应,得到了具有相反电荷的PMAA-b-PS-b-PMAA和PNPMAAm-b-PS-b-PNPMAAm两种6个三嵌段共聚物.用核磁、红外和GPC表征了聚合物的结构、分子量及分子量分布等.将这两种三嵌段共聚物以等摩尔混合,在水中可自组装成碗形聚集体结构,讨论了可能的形成机理.     

PPV-b-PMMA二嵌段共聚物的ATRP合成及其有序自组装

在分子设计的基础上,合成了以Br为端基的聚(2,5-二辛氧基对亚苯基亚乙烯基)(PPV-Br)低聚体,并采用甲基丙烯酸甲酯(MMA)原子转移自由基聚合法,以该低聚体作为大分子引发剂,合成了PPV-b-PMMA二嵌段共聚物.经FTIR、UV-Vis、1H-NMR和GPC等表征手段证明,所合成的PPV-b-PMMA二嵌段共聚物具有分子设计的预定结构.PPV大分子引发剂和PPV-b-PMMA二嵌段共聚物的多分散性指数分别为1.3和1.2.在温度、氩气流速和相对湿度分别为22℃、0.2 m3/h和85%的条件下,以CS2为溶剂,实现了该二嵌段共聚物的高度有序六角蜂窝状结构薄膜的自组装.空穴的平均直径为1.7μm.     

中国嵌段共聚物受限自组装的研究进展

近年来,嵌段共聚物在受限空间中的自组装已成为高分子科学领域一个新的关注点.在受限条件下,嵌段共聚物展现出更多的可调控性,可获得复杂多样的微相分离结构.这些新颖的结构为实现嵌段共聚物更加丰富的功能奠定了材料基础.中国的学者们在嵌段共聚物受限自组装的理论模拟和实验研究方面取得了一系列重要创新成果,有力地推动了该领域的发展.本文总结和评述了中国学者在该领域的研究进展,并展望了嵌段共聚物受限自组装研究未来发展的机遇与挑战.     

嵌段共聚物受限自组装的实验研究进展

嵌段共聚物有着丰富的相行为,在本体中会发生微相分离形成球形、柱形、双连续形和层状结构.当嵌段共聚物被限制在一定的空间几何中且空间几何特征尺寸与嵌段共聚物的平衡周期相近时,自组装过程会受到强烈的影响而形成与本体不同的自组装结构.本文从实验研究方面总结了限制因素和边界条件对嵌段共聚物受限自组装过程的影响,并指出了当前存在的一些问题以及今后的发展方向.     

全共轭嵌段共聚物的合成组装与应用

全共轭嵌段共聚物体系将共轭聚合物的光电特性和嵌段聚合物的自组装优势相结合,是近几年发展起来的一类新型自组装光电功能材料,对其自组装机理、自组装结构与光电性能之间关系的研究,有利于共轭聚合物微观纳米结构的构筑以及未来光电器件的开发。本文主要介绍全共轭嵌段共聚物包括共轭聚电解质在内的合成发展过程,综述其在溶液中和薄膜状态下独特的自组装行为,介绍共轭聚合物在光电器件中的应用,并对其今后的研究方向做出展望。     

经两亲嵌段共聚物自组装制备纳米胶束

本文介绍两亲嵌段共聚物的合成,综述了经两亲嵌段共聚物自组装制备纳米胶束的研究进展,并对该领域的发展趋势进行了展望。     

ABC型嵌段共聚物自组装理论研究进展

嵌段共聚物的自组装为功能性纳米材料的制备提供了一种重要途径. ABC型嵌段共聚物相比于AB型具有更大的参数空间,自组装行为也更加复杂.在实验所合成的三组分嵌段共聚物自组装体系中,已有多种复杂结构被发现,如螺旋超柱、编织图案等,但实验上比较难以直接阐明它们的形成机理.近年来,本课题组运用自洽场理论(SCFT)对ABC型嵌段共聚物自组装进行了系统的研究,聚焦探索其结构参数及拓扑结构对相行为的影响机制.本文介绍了本课题组关于“非受挫”和“受挫”两大类ABC型嵌段共聚物自组装的SCFT研究成果,揭示了一些非经典相的形成机理,并通过合理的分子设计预测了一系列新颖的有序结构.     

两亲嵌段共聚物溶液自组装新进展

综述了两亲嵌段共聚物在溶液中自组装的新进展，重点介绍了两亲嵌段共聚物自组装聚集体中棒状、蠕虫状、囊泡、洋葱和实心洋葱等几种新形态的特点和形成机理；另外对两亲嵌段共聚物溶液自组装在光电、药物释放、靶向以及作为基因工程载体方面的应用前景及两亲嵌段共聚物聚集体的制备方法作了详细的评述。     

两亲性嵌段共聚物PCL-b-PNVP的合成及其自组装行为的研究

以4-羟基-2,2,4,4-四甲基哌啶氮氧自由基为引发剂,通过ε-己内酯（ε-CL）的开环聚合反应,合成氮氧稳定自由基为末端基的聚己内酯（PCL-T）;在其＂介调＂下,进行乙烯基吡咯烷酮（NVP）的氮氧稳定自由基聚合（NMP）,得到结构规整聚己内酯和聚乙烯吡咯烷酮两亲性的嵌段共聚物（PCL-b-PNVP）.通过核磁共振...