AB嵌段共聚物在不同三维受限空间的相行为研究

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聚合物、液晶、泡沫、胶体、生命物质、膜泡等由基团或者大分子组合构成的一类物质被称做软物质或复杂流体,而软物质中比较典型的一类物质就是嵌段共聚物。由于嵌段共聚物丰富多样的自组装行为,以及其在众多重要的技术领域中的应用,已经在化学和凝聚态物理领域中进行了广泛的研究。考虑到嵌段共聚物本体相形态,嵌段共聚物不同链段的体积分数以及嵌段之间的相互作用,采用自洽场理论数值计算了在非受限条件下嵌段共聚物的本体相行为。而通过求解Helfrich曲面弹性理论演化的曲面形状方程,构建了三维具有轴对称的空白囊泡作为三维受限空间。根据不同形状囊泡的体积和表面积之间的关系,定义了约化体积。选取四种不同约化体积的囊泡,即球形、扁长形、扁圆形以及镰刀形等四种典型形状作为三维受限空间。借助于对这四种典型的受限空间,进行有规律的体积变化,可以得到具有不同受限体积和不同约化体积的三维受限空间模型。本文研究柱状相AB不对称嵌段共聚物在受限壁为中性的三维受限空间内的相行为。结果表明,三维空间受限下AB嵌段共聚物的相行为明显不同于本体柱状相。柱状相AB嵌段共聚物在球形受限下的相结构和受限程度的变化趋势与以前的研究结果基本一致,相形态的演变从单个液滴状结构到多个对称液滴状结构,再到中心为球状结构和分散在周围的液滴状结构。柱状相AB嵌段共聚物在扁长形受限下受挫较为严重,相结构的对称性被破坏,相结构的规律性并不强。在扁圆形受限下,柱状相AB嵌段共聚物的相行为表现出更强烈的受挫和取向限制,共聚物相形态的对称性被破坏。柱状相AB嵌段共聚物在非中心对称镰刀形受限下的相形态变化与球形受限有些相似性,相结构具有明显的分散性分布。在这四种空间受限下,柱状相AB嵌段共聚物的自由能随着受限空间的增大均变小;在相同空间受限尺度下,柱状相AB嵌段共聚物的自由能随着约化体积的减小逐渐增大。本论文通过求解Helfrich形状方程得到的不同曲面,也可以进一步推广到其他具有非轴对称的三维封闭曲面。因此,该方法可以构建出各种不同形态的受限空间,从而,可以研究嵌段共聚物在不同形态纳米受限环境下的相行为。同时,也可以进一步拓展到具有更为复杂的拓扑结构的嵌段共聚物在受限空间的相行为。本论文的理论研究可以为实验上得到具有不同相结构,而设计具有不同形态和不同受挫程度的纳米受限空间提供一种新思路,也为丰富人们对共聚物在受限空间相行为的理论认知。
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