嵌段共聚物：物理与化学、生物和工程的美丽邂逅

基于过去三十年的不断探索,嵌段共聚物已成为研究分子自组装和相关基本现象的理想模型体系。定量化理论预测和精确实验观察的携手,使得对于嵌段共聚物平衡态相行为的理解已达成一致,并对于从分子组成到介观相结构,再到宏观材料性质的关联与机理有了比较完整的理解。文章回顾目前理解嵌段共聚物相行为的物理模型及其基本假设,并对嵌段共聚物在物理、化学、生物、工程等学科的研究进行展望。     

AB/CD嵌段共聚物共混体系多尺度结构的自洽场模拟

本文采用自洽场理论模拟了AB/CD嵌段共聚物共混体系的自组装. 改变组分B与D间的相互作用, 得到了不同空间尺度上的两种层状结构和只能在非对称组成情况才能得到的核壳结构. 结果表明, 这种多尺度结构的形成是因为BD间排斥作用的减弱或者吸引 作用的增强导致二者间相互融合程度的增加. 当BD间的相互融合程度与AB和CD间的相互融合程度相当时, 体系会发生宏观层状与微观层状结构间的转变. 此外, 本文还从能量角度揭示了体系发生这种结构转变的深层次原因. 关键词： 嵌段共聚物 共混 多尺度结构 自洽场     

嵌段共聚物受限于软孔内的自组装

利用自洽场方法研究两嵌段共聚物受限于接枝均聚物链(聚合物刷)圆孔中的自组装相形貌.研究表明,当圆孔内径一定时,嵌段比f和聚合物刷C的体积分数φ_C是调控嵌段共聚物相形貌的主要因素,聚合物刷的弹性熵也起着重要作用.当f＝0.7时,在聚合物刷的浸润下,贴近刷表面处AB嵌段共聚物构成环层状结构,随着φ_C的减小这种结构会周而复始地出现.当f处于0. 关键词： 嵌段共聚物 圆孔受限 聚合物刷 自洽场     

非对称线棒线ABA三嵌段共聚物自组装的自洽场研究

利用自洽场方法在三维空间模拟计算非对称型线/棒/线ABA三嵌段共聚物的自组装.在线棒嵌段体积比例相等的条件下,改变两端的线嵌段体积比例,观察到层状、螺旋状、条状和柱状结构.相分离相互作用参数随着一侧线嵌段体积比例增加而逐渐增大,并且当一侧线体积分数为0.05时,相行为最为丰富.随着相互作用参数增大,层状、螺旋和层状结构依次出现,这与相应的线/棒二嵌段共聚物是不同的;层状、螺旋、条状和柱状结构的出现与相应的对称线/棒/线三嵌段共聚物的自组装行为也不同.     

非对称半结晶两嵌段共聚物的微相分离与结晶行为的模拟退火研究

利用模拟退火方法研究非对称半结晶两嵌段共聚物熔体分别在弱分离和强分离条件下的结晶过程.考察微相分离作用和结晶作用的相对强度对柱状组成的两嵌段共聚物平衡形态的影响.研究结果表明,当嵌段间的相互排斥作用较弱时,结晶便破坏了柱状畴;当此相互作用足够强时,结晶过程可以有效地被限制在熔体微相分离所形成的柱状畴内.另外,介于上述两种情形之间还存在一个模板区域,此时熔体形成的柱状畴大部分被保留下来,但在局部会变形或连通.这些结果和文献报道的实验结果一致.当嵌段间的相互排斥作用非常强时,结晶被抑制,微相分离主导最终形态,观察到了非晶态结构.     

不对称二聚物粒子在两嵌段共聚物形成的支撑膜上的自组装

结合自洽场理论和密度泛函理论,研究了不对称的二聚物粒子在AB两嵌段共聚物形成的支撑膜上的自组装行为. 不对称的二聚物粒子是由两个不同的球组成的两性分子. 其中一个球与A嵌段相亲,另外一个喜欢B嵌段. 不对称粒子能在支撑膜上形成一个双层结构. 由于衬底的存在,所形成的支撑膜上下两叶的对称性被破坏,导致了二聚物粒子在膜上形成的结构也变的不对称. 随着二聚物粒子浓度的增加,在膜上的二聚物粒子的结构将发生变化,从稀四方、六角、密四方再到圆柱结构. 在一个高浓度的密堆积下,二聚物粒子将形成弯曲的圆柱结构. 在支撑膜     

采用固体NMR研究MPEG-PLA双嵌段共聚物的固态相区结构

采用固体核磁共振方法，研究了AB型聚（L-丙氨酸）聚乙二醇嵌段共聚物(MPEG-b-PLA）的固态微相结构. ¹³C核的交叉极化与直接极化实验表明，MPEG中存在晶态和非晶态两种相区结构，PLA则含有大量的α螺旋与少量的β折叠二级结构. 由交叉极化过程下的¹³C自旋-晶格弛豫时间(T₁)测定结果进一步表明，MPEG链段由于嵌段结构使结晶过程受抑制，结晶度明显下降. PLA链段以结晶态形式存在，并由于大量α螺旋和β折叠有序结构的存在, 链段非常刚性，运动严重受限，而β位甲基因为可以自由旋转，所以运动能力较α位次甲基和羰基强.     

聚苯乙烯-聚丁二烯嵌段共聚物的固体NMR研究

采用我们前期发展的测定多相高聚物中界面相厚度及相区尺寸的NMR新方法对两种不同嵌段结构的聚苯乙烯-聚丁二烯嵌段共聚物进行了研究,并与关于界面相厚度的高分子物理理论结果进行对比. 该NMR方法采用偶极滤波-自旋扩散技术分别测定非界面相的柔性区与界面相中质子的百分含量,然后根据界面相与柔性相的几何关系计算界面相厚度. 研究结果表明这两种嵌段共聚物具有几乎相同的界面相厚度,该结果与Helfand等人关于多相高聚物中界面相厚度的自洽场理论预言基本符合.     

嵌段共聚物溶致液晶相中水的2H-NMR动力学分析

采用D2O的2H-NMR线型和弛豫分析了PEO-PPO-PEO/D2O/对二甲苯体系的层状和六角液晶相的动力学行为.通过实验测得了两个不同体系的自旋-晶格弛豫时间T1、自旋-自旋弛豫时间T2和2H-NMR谱.2H-NMR谱均为具有四极劈裂的粉末谱线型,且在谱图的中心,βLD=54.7°时存在一个倒峰.倒峰的出现直接表明引起体系中弛豫的主要动力学过程处于极窄化区域.采用NMR弛豫模型,通过调节动力学参数,使理论模拟的2H-NMR谱、弛豫时间、倒峰的大小与实验的对应量相吻合,求得了体系的动力学参数.     

嵌段共聚物溶致液晶相中水的2H-NMR动力学分析

采用D₂O 的²H-NMR线型和弛豫分析了PEO-PPO-PEO/D₂O/对二甲苯体系的层状和六角液晶相的动力学行为. 通过实验测得了两个不同体系的自旋 晶格弛豫时间T₁、自旋-自旋弛豫时间T₂和²H-NMR 谱. ²H-NMR 谱均为具有四极劈裂的粉末谱线型，且在谱图的中心，β_LD=54.7°时存在一个倒峰. 倒峰的出现直接表明引起体系中弛豫的主要动力学过程处于极窄化区域. 采用NMR弛豫模型，通过调节动力学参数，使理论模拟的²H-NMR谱、弛豫时间、倒峰的大小与实验的对应量相吻合，求得了体系的动力学参数.     

星形两嵌段共聚高分子薄膜微相分离的耗散粒子动力学模拟

利用耗散粒子动力学模拟研究了两类典型的星形两嵌段共聚高分子薄膜的微相分离行为. 结果表明,(A_x)₄(B_y)₄体系的相图较(A_xB_y)₄体系具有明显的对称性,且前者比后者更易发生相分离,与体相中的情况相近,并可归因于两类星形高分子在结构上的差异;组成相同的星形共聚高分子体系在体相与薄膜中所形成的介观结构之间存在对应关系;减小薄膜厚度与加大A-B组分间排斥强度均有利于增强所形成结构的有序性. 同样是缘于分子结构差异,两类星形高分 子薄膜中的均方回旋半径随体系组分分率的变化规律几乎相反.     

A phase diagram of ammonia close to the melting point

We calculate here the phase line equations using the mean field theory for the liquid-solid I - solid II phases in the ammonia close to the melting point. Our calculated phase line equations have been fitted to the experimental data. Our calculated phase diagram agrees very well with the experimentally obtained P-T phase diagram from the literature.     

On the Derivation of a Density Functional Theory for Microphase Separation of Diblock Copolymers

We consider here the problem of phase separation in copolymer melts. The Ohta–Kawasaki density functional theory gives rise to a nonlocal Cahn–Hilliard-like functional, promoting the use of ansatz-free mathematical tools for the investigation of minimizers. In this article we re-derive this functional as an offspring of the self-consistent mean field theory, connecting all parameters to the fundamental material parameters and clearly identifying all the approximations used. As a simple example of an ansatz-free investigation, we calculate the surface tension in the strong segregation limit, independent of any phase geometry.     

T-X Br phase diagram for the NH4Br x Cl1−x system

In this study using a mean field model we calculate the phase line equations for the β-δ, β-γ and γ-δ phase transitions in the NH₄Br_xCl_{1 x} system. We then fit our phase line equations to the experimentally observed T-X _Br phase diagram for this system. Our calculated phase diagram agrees well with the observed one for the NH₄Br_xCl_{1 x} system.     

Spherical/gyroid phase diagram of the diblock copolymer in the median selective solvent

The effect of the median selective solution on the lamellar, spherical and gyroid structures is studied. The self-consistent field equations of the diblock copolymer solution are solved by using the reciprocal space method. It is shown that the spherical and gyroid phases have the lowest free energy in the certain range of the solution concentration. Furthermore, the phase diagram of the ordered structures in the diblock copolymer solution with the median selective solvent is calculated, which is consistent with the experimental results. Supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 10834014, 10674173, and 30770517) and the National Basic Research Program of China (Grant No. 2009CB930704)     

Critical behavior of an anisotropic Ising antiferromagnet in both external longitudinal and transverse fields

In this paper we study the critical behavior of a two-sublattice Ising model on an anisotropic square lattice in both uniform longitudinal (H  ) and transverse (Ω$\Omega$) fields by using the effective-field theory. The model consists of ferromagnetic interaction J_x in the x direction and antiferromagnetic interaction J_y in the y direction in the presence of the H   and Ω$\Omega$ fields. We obtain the phase diagrams in the H–T$H–T$ and Ω–T$\Omega –T$ planes changing values of the Ω$\Omega$ and H   parameters, respectively for fixed value at λ=_Jx/_Jy=1$\lambda =J_x/J_y=1$. At null temperature, the ground state phase diagram in the Ω–H$\Omega –H$ plane for several values of λ$\lambda$ parameter is analyzed. In the particular case of λ=1$\lambda =1$ we compare our results with mean-field theory (MFT) and was not observed reentrant behavior around of the critical field _Hc/_Jy=2.0$H_c/J_y=2.0$ for Ω=0$\Omega =0$ by using EFT.     

Diagrammar in classical scalar field theory

In this paper we analyze perturbatively a g?⁴classical field theory with and without temperature. In order to do that, we make use of a path-integral approach developed some time ago for classical theories. It turns out that the diagrams appearing at the classical level are many more than at the quantum level due to the presence of extra auxiliary fields in the classical formalism. We shall show that a universal supersymmetry present in the classical path-integral mentioned above is responsible for the cancelation of various diagrams. The same supersymmetry allows the introduction of super-fields and super-diagrams which considerably simplify the calculations and make the classical perturbative calculations almost “identical” formally to the quantum ones. Using the super-diagrams technique, we develop the classical perturbation theory up to third order. We conclude the paper with a perturbative check of the fluctuation-dissipation theorem.