利用单分子光学探针测量幂律分布的聚合物动力学

研究聚合物薄膜纳米尺度的动力学特性对于高性能材料的制备具有重要的意义.本文利用尼罗红单分子作为光学探针吸附在聚丙烯酸甲酯(PMA)聚合物链上,研究该聚合物薄膜的动力学特性.通过单分子散焦宽场荧光成像显微镜技术测量了单分子随PMA聚合物链转动弛豫的三维再取向特性,当环境温度高于PMA的玻璃点温度19 K时,发现处于PMA聚合物薄膜中的单分子光学探针的转动态和非转动态的持续时间概率密度服从指数截止的幂律分布.研究结果表明该温度下PMA聚合物薄膜的纳米环境动力学仍存在空间和时间异构性.     

小角X射线散射表征非晶合金纳米尺度结构非均匀

表征纳米尺度结构非均匀对于理解非晶合金的变形、弛豫等动力学行为至关重要.受时空尺度限制,非晶合金纳米尺度结构非均匀的实验表征具有很大的挑战性.本文针对一种典型的锆基非晶合金,开展了同步辐射小角X射线散射原位拉伸实验.通过对散射曲线的定量分析,揭示了非晶合金在纳米尺度的非均匀结构图像.首先,Porod散射曲线呈现正偏离行为,表明非晶合金属于非理想两相散射体系,两相界面弥散且任一相内都存在电子密度涨落.基于散射曲线的Guinier定律分析,进一步揭示非晶合金中散射体形状远偏离球形,其特征尺度主要分布在0.8—1.6 nm之间,且在弹性变形阶段几乎不变.最后,通过Debye相关函数分析,发现这些纳米尺度散射体仅在1 nm之内存在强关联,符合非晶合金短程有序、长程无序的结构特征.研究结果表明非晶合金中存在具有复杂空间分布的纳米尺度非均匀结构.     

基于Rotaxane类分子的稳定、重复、可反复擦写的纳米信息存储

Rotaxane类分子在溶液中可以发生可逆的分子构型改变,并随之引起分子电导特性的转变,在纳米电子器件和分子存储器件中具有潜在的应用前景.但是还不能确定这类分子在固体薄膜中是否具有类似于在溶液中的结构与电导转变,需要对Rotaxane类分子固态薄膜进行深入的结构和特性研究.文章作者在一类Rotaxane分子H1和H2的固态薄膜上获得了纳米尺度的电导转变和稳定、重复的、近于单分子尺度的纳米级存储;同时,成功地在H2分子薄膜上实现了信息记录点的可反复擦写.另外,在单个分子和亚分子的水平上直接观察到了Rotax     

石墨烯-纳米探针相互作用有限元准静态计算

纳米尺度探针是研究纳米薄膜材料的重要工具.针对纳米探针和石墨烯相互作用有限元模型静态计算中难以收敛的困难,应用动态显式算法通过间歇式探针进给方式进行能量耗散,得出静态计算结果.模型中界面作用力由界面黏结能和原子间作用势导出并植入Abaqus软件中界面作用子程序,实现对石墨烯、探针,基体系统内相互作用的仿真计算.通过对比计算结果和实验数据,对实验结果给出了一致性解释.     

双尺度疏油结构纳米通道滑移效应的研究

针对双尺度结构表面疏油特性的优异性,采用分子动力学的方法建立油液流体正十六烷烃分子模型,研究双尺度结构壁面润湿性影响下的纳米通道内流体的流动特性,通过对通道壁面亲疏油性下的双尺度结构的构建,与光滑壁面和单尺度壁面进行比较来探究双尺度纳米通道表面结构影响下油液流体在纳米通道内密度分布、速度分布、速度滑移和滑移长度的影响.模拟结果表明:对于亲油通道壁面,双尺度结构壁面亲油性明显加强,主流区域流体密度、流体速度和速度滑移都减小,甚至出现负滑移;而对于疏油通道壁面,双尺度分层结构能加强壁面的疏油性,通道内壁面形成稳定的气层使流体主流区域的密度增大,并且通道内流体的速度、速度滑移和滑移长度明显大于光滑和单尺度结构壁面.因此,纳米通道内双尺度结构能改变通道壁面的润湿性,并且能够加强流体在纳米疏油通道内的滑移减阻效应,为纳米通道内油液运输以及润滑薄膜减阻提供了设计基础.     

基于Rotaxane类分子的稳定、重复、可反复擦写的纳米信息存储

Rotaxane类分子在溶液中可以发生可逆的分子构型改变,并随之引起分子电导特性的转变,在纳米电子器件和分子存储器件中具有潜在的应用前景.但是还不能确定这类分子在固体薄膜中是否具有类似于在溶液中的结构与电导转变,需要对Rotaxane类分子固态薄膜进行深入的结构和特性研究.文章作者在一类Rotaxane分子H1和H2的固态薄膜上获得了纳米尺度的电导转变和稳定、重复的、近于单分子尺度的纳米级存储;同时,成功地在H2分子薄膜上实现了信息记录点的可反复擦写.另外,在单个分子和亚分子的水平上直接观察到了Rotaxane分子在外电场诱导下分子结构的可逆变化以及随之发生的相应电导特性的可逆转变, 证实了Rotaxane分子在固态薄膜中的可逆结构和电导转变.     

甲基蓝-钛酸盐纳米聚合物薄膜的光谱和光学非线性研究

 为了满足光学非线性器件设备对工作材料的要求,探究具有高阶非线性效应的固态薄膜材料的制备方法,并对其光学特性进行表征,采用化学插入法,将甲基蓝染料分子插入到具有纳米量级的层状钛酸盐片间,制备了甲基蓝-钛酸盐纳米聚合物薄膜,通过吸收光谱和荧光光谱的测定,发现薄膜的吸收峰相对于染料溶液发生了明显的蓝移,表明染料分子在纳米片间是H-聚集排列。进一步应用单光束连续He-Ne激光Z-扫描技术研究了样品的非线性光学特性,结果显示：插入染料分子的钛酸盐纳米MB/HTO聚合物薄膜具有“负”的非线性折射率,在低功率连续激光作用下聚合物薄膜的非线性折射率系数n2的量级为10-10 m2/W。     

应变异质外延生长中的自组织纳米结构

具有纳米尺度的三维岛的阵列能在有应变的外延生长薄膜上自组织生长,包括反量子点和量子分子在内的其他结构在合适的生长或退火条件下也被观测到.　讨论了有关这些纳米结构自组织生长的动力学蒙特卡罗模拟计算中的最新进展.     

金刚石表面纳米尺度水分子的相变观测

水是自然界中最重要的物质之一,研究界面或受限体系的水分子动力学具有重要的科学意义.近些年新兴的基于氮-空位(NV)色心的纳米磁共振技术可以同时观测纳米尺度的核磁信号和温度.本文利用单个NV色心成功探测到金刚石表面纳米尺度水分子分别在固态和液态条件下的核磁信号,并通过改变温度成功观测到该纳米尺度水层的固-液相变.实验结果表明,基于NV色心的核磁共振技术可以有效地探测纳米尺度物质的结构和动力学行为,为纳米尺度受限体系相关科学的研究提供新的探测手段.     

致密油藏微纳米喉道中的边界层特征

通过引入吸引力修正耗散粒子动力学（DPD）方法,实现流体和固体的相互吸引作用,模拟纳米喉道中的微尺度流动,探讨边界层的产生机理,结合微圆管实验,定量表征微纳米喉道中边界层的特征,明确微纳米喉道中边界层的影响因素.研究发现：分子尺度,热运动对速度影响很大;超过分子尺度,压差占主导作用.热运动使粒子在原位置振动,不改变粒子的整体移动方向.随着喉道半径的增大,泊肃叶流动的抛物线特征越来越明显.边界层厚度受压力梯度、喉道半径和流体粘度的影响.当压力梯度增大或流体粘度减小时,边界层厚度增大;当喉道半径减小时,边界层厚度先增大后减小.边界层厚度是导致非线性渗流特征的根本原因.随着边界层厚度增大,非线性渗流特征越来越明显.     

外电场操控单分子的偶极取向极化特性研究

单分子偶极取向的有效操控对于提高单分子荧光收集效率及荧光共振能量转移等相关研究具有重要的意义.本文通过测量单分子荧光偏振特性的变化,研究了外部电场作用下极性单分子的偶极取向极化特性,实现了外电场对单分子偶极取向的有效操控.研究发现电场方向与单分子样品表面平行时,掺杂在聚甲基丙烯酸甲酯聚合物薄膜中的取向随机分布的极性单分子荧光偏振方向呈现出双峰统计分布规律,表明在溶剂挥发过程中外电场诱导极性单分子偶极取向进行了重新分布.     

纳米光学和生物单分子探测

纳米光学技术展示了纳米级探测本领,同时生物单分子探测所需要分辨尺度也是纳米数量级的,因此在生物单分子探测过程中,纳米光学发挥了巨大的作用.文章介绍了与生物单分子探测技术相关的纳米光学技术,包括量子近场光学探针技术、近场光学成像技术（包括扫描近场光学显微术及全内反射荧光显微术）和激光光钳测控技术及它们在生物单分子探测上的进展,从而在染色、成像、测控三个方面展示了纳米光学技术在生物方面的应用,并对其未来的发展方向进行了展望.     

菌紫质光致各向异性动力学的理论和实验

对菌紫质(Bacteriorhodopsin,BR)薄膜的光致各向异性特性进行了理论模拟.由随机取向的极性BR分子构成的聚合物薄膜在宏观上是各向同性的,但在线偏振光的作用下,BR分子对激发光的选择性吸收,导致不同异构体分子取向的不均匀分布,从而使BR薄膜在宏观上呈现出各向异性.利用BR光循环的二能级模型,得到了B态分子取向分布随时间的变化关系,推导出了BR薄膜光致各向异性动力学的数学表达式,模拟了不同激发光强下BR薄膜的光致各向异性动力学曲线,得到了和实验结果一致的计算结果.     

共轭聚合物内非均匀场驱动的超快激子输运的动力学研究

基于激子输运在聚合物给体/富勒烯(或非富勒烯)受体异质结太阳能电池光伏过程中的重要作用,本文结合最新的实验进展,从理论上提出了由非均匀场驱动的超快激子输运机制.动力学模拟采用扩展的一维Su-Schrieffer-Heeger紧束缚模型结合非绝热的量子动力学方法,而非均匀场主要考虑了由受限电荷诱导的非均匀电场和分子排列相关的非均匀构型场.研究发现:非均匀电场和构型场均可驱动激子实现超快输运,其输运速度比由传统的Forster或Dexter机制主导的激子输运可分别提高1和2个数量级.另外,本文重点分析了这两种非均匀场对激子输运的驱动机制,定量计算了它们各自诱导的驱动力.最后,针对影响这两种非均匀场分布的因素(包括受限电荷相对聚合物分子的距离和聚合物分子线性排列的斜率),讨论了它们对激子输运动力学的影响.     

室温单分子偶极取向与量子化再取向动力学实验研究

对室温下染料单分子进行了偶极取向和偶极再取向动力学的实验研究.利用共焦扫描显微镜光学系统与荧光偏振探测分析相结合的方法分别测量了聚合体薄膜中的单分子和无聚合体薄膜的单分子偶极方向变化特性,经采样统计测量镶嵌于聚合体薄膜中的单分子发生偶极再取向的概率约为5%—9%,无聚合体薄膜的单分子发生偶极再取向的概率约为26%.通过测量单分子荧光的偏振度轨迹曲线发现,偶极再取向存在着在多个偏振态之间的量子化跳跃行为. 关键词： 单分子 偶极取向 再取向 量子化跳跃     

高度取向的半导体聚合物薄膜的溶液浸涂法生长及其电荷传输特性研究

有效地控制有机半导体分子取向和堆积特性对实现高性能电子器件具有非常重要的意义,而发展简便高效的溶液相成膜技术是实现这一目的的重要途径.本文采用改进的溶液浸涂法,成功地成长出大面积宏观取向的半导体聚合物P(NDI2OD-T2)和PTHBDTP薄膜.偏光显微镜和极化的紫外-可见光吸收谱测量显示,薄膜中聚合物分子主链骨架沿成膜时液面下移方向择优取向.原子力显微镜观察到聚合物薄膜由纳米尺度的取向有序晶畴构成,畴的取向与分子链的取向一致.采用衬底-溶液界面处表面张力和溶剂蒸发诱导的分子自组织过程来解释浸涂法生长聚合物取向薄膜的微观机理.使用取向的P(NDI2OD-T2)薄膜制备场效应晶体管,显著地提高了电子迁移率(可达4倍),并实现高达19的迁移率各向异性度.这可归因于共轭的聚合物主链骨架择优取向引起电荷传导通路的变化.     

F(o)rster双分子猝灭作用对卟啉侧链聚合物荧光衰变的影响

通过采用时间分辨荧光光谱技术测量了一种卟啉侧链聚合物薄膜:卟啉丙烯酸酯-苯乙烯共聚物poly[porphyrin acrylate-styrene] (P[(por)A-S])在高激发密度下的瞬态荧光特性.实验发现,P[(por)A-S]样品的荧光衰减随聚合物分子浓度的增大而加快.利用Frster机制的双分子猝灭理论对其浓度猝灭的原因进行了分析,理论结果与实验结果符合较好.研究表明,在高激发密度的情况下,Frster机制的双分子作用是加快卟啉侧链聚合物初始荧光衰减和降低其发光效率的主要因素.     

应变异质外延生长中的自组织纳米结构

具有纳米尺度的三维岛的阵列能在有应变的外延生长薄膜上自组织生长，包括反量子点和量子分子在内的其他结构在合适的生长或退火条件下也被观测到。讨论了有关这些纳米结构自组织生长的动力学蒙特卡罗模拟计算中的最新进展。     

定向结晶条件下聚乙二醇6000的强动力学效应

在单向温度场条件下, 采用不同抽拉速度实现了聚乙二醇6000的定向生长、界面形貌的实时观测及界面温度的测量, 进而揭示了其生长机制. 实验结果表明, 随着抽拉速度的增大, 界面的温度逐渐减小, 过冷度逐渐增大. 运用高聚物结晶的次级形核理论模型, 对实验数据进行了计算, 得到在界面过冷度为13.5 K左右时, 生长机制发生了由区域Ⅱ向区域Ⅲ的转变. 实验数据与等温结晶数据的比较发现等温结晶方法中获得过冷度相对较大, 是因为其包含了热过冷. 聚乙二醇6000定向结晶过程中需要的最大动力学过冷度为20 K, 说明由于高聚物的二维形核, 其生长主要由界面动力学控制, 具有较强的动力学效应.     

基于泵浦探针法研究VO_2薄膜多波段红外激光相变特性

用泵浦探针法实验研究了红外激光辐照二氧化钒薄膜的相变特性.首先利用氧源-分子束外延法制备了薄膜厚度分别为20nm、40nm、60nm的三组VO_2单晶外延薄膜,并且以10.6μm的CO_2连续激光作为泵浦光,分别以1 064nm和3 459nm的纳秒脉冲激光作为探针光,对这三组薄膜分别进行了辐照实验.实验发现三组薄膜相变后对1 064nm探针光的透过率降低量平均值分别为5.26%、6.2%、8.92%,反射率降低量分别为3.09%、6.56%、4.93%;对3 459nm探针光透过率降低量平均值分别为28.4%、47.78%、55.13%,反射率升高量平均值分别为6.65%、17.87%、7.49%.结果表明:利用分子束外延法制备的纳米级VO_2薄膜相变前后对入射激光为镜面反射;薄膜对3 459nm探针光的相变特性比对1 064nm探针光相变特性显著;薄膜厚度的增加会降低相变前透过率,但是对相变后透过率降低更为明显;薄膜对10.6μm CO_2连续激光相变前后始终保持几乎不透.研究结果可为薄膜的应用提供参考.