论文部分内容阅读
嵌段共聚物体系可以自组装（或微相分离）形成周期尺寸为5-50nm的高度有序结构，使得共聚物体系在纳米科技领域具有重要的应用价值。由于简单嵌段共聚物体系的自组装结构已经不能满足实际应用的需求，复杂嵌段共聚物体系的自组装行为成为自组装研究领域的重要方向。本论文采用自洽场理论和耗散粒子动力学模拟方法，研究了三种复杂嵌段共聚物体系的自组装行为。在复杂拓扑构型的多元嵌段共聚物体系研究中，重现了ABC星型三元共聚物丰富的有序微相结构，发现了三种类型的结构形成有序化机理。在模板引导的嵌段共聚物体系定向自组装研究中，讨论了模板设计因素对三维周期性结构的控制，构建了三维非周期性结构以及三维连接结构。在多组分嵌段共聚物的溶液自组装研究中，研究了共混体系的多种因素对聚集体结构的影响，结合几何分析方法表征了多舱胶束的自组装过程，发现了该过程的分级组装特征。 (1) ABC星型三元共聚物有序微相结构和有序化机理 发展了一种新方法来研究共聚物的有序微相结构和有序化机理。该方法耦合了聚合物流体的动态自洽场理论以及变元胞形状方法。首先，以AB嵌段共聚物为研究体系，验证了该方法能够帮助体系逃离亚稳态到达平衡态，并且合适的参数设定可以有效地加速体系演化。然后，使用该方法研究了ABC星型三元共聚物的自组装行为，重现了星型三元共聚物丰富的有序微相结构，构建了微相结构关于组分的相图。进一步研究了ABC星型三元共聚物的有序化过程，发现在无序-有序转变过程中存在三种类型的有序化机理:快慢有序化机理，一步有序化机理以及分步有序化机理。此外，还发现星型三元共聚物的组成以及各组分之间的相互作用对有序化机理影响很大。 (2)模板引导的嵌段共聚物定向自组装三维结构 采用大格子自洽场理论模拟，研究了在模板中嵌段共聚物定向自组装形成的三维结构。在三维周期性结构中，控制模板中纳米柱的高度和半径，可以观察到从平行双层柱状结构到网状双层柱状结构的转变;改变纳米柱点阵的周期可以独立控制不同层中嵌段共聚物的柱状结构取向。在三维非周期性结构中，通过结合不同周期或不同高度的纳米柱点阵，可以在目标层中构建含有T形连接的三维结构;通过调节单一周期纳米柱点阵的相对位置，不仅可以得到T形连接，还可以得到同时含有T形连接以及转向的三维结构;此外，通过控制薄膜的厚度，可以得到项层和底层互相连接的三维结构。 (3)两亲性/双疏性嵌段共聚物共混体系在溶液中的自组装 采用耗散粒子动力学方法，研究了两亲性嵌段共聚物和双疏性嵌段共聚物共混体系的溶液自组装行为，探讨了双疏性嵌段共聚物的浓度、双疏性嵌段共聚物的嵌段体积分数以及溶剂性质对聚集体结构的影响。验证了嵌段共聚物共混体系是优良的多舱胶束制备体系，并发现随着双疏性嵌段共聚物浓度的增加，聚集体发生自囊泡到棒状胶束再到同心圆多舱胶束的转变，且当浓度较高时，同心圆多舱胶束的同心圆层数量与浓度密切相关。当双疏性嵌段共聚物中的嵌段体积分数降低时，球形多舱胶束由同心圆结构转变为非同心圆结构。当溶剂的性质不同时，球形多舱胶束的内部结构不同。此外，利用Minkowski泛函表征了多舱胶束的形成过程，发现这是一个先形成大尺度球形结构、再形成小尺度内核结构的分级组装过程。