高分子在一维纳米孔中的受限结晶行为

Crystallization is one of the basic research areas in polymer physics. In recent years, the crystallization behavior and condensed state structure of polymers in confined spaces with a length scale of tens of nanometers have attracted great attention. By choosing the polymer/porous alumina (AAO) model system, the current proposal will focus on several unsolved scientific questions in this field and carry out the following investigations. (1) Establish a method and criteria for distinguishing homogeneous and surface nucleation mechanism. (2) Characterize the texture of polymers in AAO systematically and propose a new model for crystal growth in 1D nanopores. (3) Study the influence of surface chemistry of AAO wall on the segmental dynamics, crystal modification, crystallization kinetics and orientation of polymers. Through this project, we strive to obtain new fundamental knowledge on the crystallization mechanism of polymers in confined geometry and to obtain several new viewpoints or models which are widely accepted by researchers in the field. The understanding of crystallization behavior of polymers under confinement will provide a guide for preparing polymer-based nanomaterials and nanodevices.

结晶学是高分子物理的基本内容之一。近年来，高分子材料在纳米受限空间中的结晶行为和凝聚态结构逐渐受到关注。本项目拟选择多孔氧化铝模板（AAO）体系，围绕该领域尚未解决的几个关键科学问题开展如下工作：（1）建立聚合物在AAO中成核方式的判定方法，鉴别均相成核和表面成核；（2）系统测定聚合物在AAO纳米孔中的织构，提出聚合物在一维纳米孔中晶体生长的新模型；（3）阐明孔壁化学性质对聚合物在AAO纳米孔中的链段松弛动力学、晶型、结晶动力学、结晶取向的影响。通过本项目的工作，力争在高分子受限结晶机理方面获得新的基础性认识，形成几个被国际同行所认可的新观点，为聚合物基纳米材料和器件的制备提供指导。

本项目构筑了阳极氧化铝纳米孔模型体系，利用先进的表征手段，研究受限空间中高分子的结晶机理，取得了如下进展：（1）基于成核速率的体积依赖性，建立了聚合物在受限条件下的成核方式的判定依据，即均相成核速率正比于体积，而表面成核速率正比于面积，发现受限空间中高分子特有的自成核现象被抑制；（2）借助X射线极图法，精确测定聚合物在AAO纳米孔中的取向特性，提出了聚合物受限结晶取向的新模型，即根据成核速率和晶体生长速率的相对大小，取向方式分为三种情况；（3）阐明了界面相互作用对AAO中聚乳酸的冷结晶的影响，发现界面作用影响链段松弛，从而影响成核速率；（4）揭示了空间受限对聚丁烯-1的Form II到Form I晶型转变的影响，发现转变程度随着受限尺寸的减小而降低，提出了界面层模型。本项目的研究结果已在高分子结晶领域发表论文12篇，包括Macromolecules 5篇，在国际/国内相关学术会议作报告10余次，应邀在Acc. Chem. Res.和Prog. Polym. Sci.期刊撰写专论和综述文章。通过本项目培养了博士研究生2名，硕士研究生1名。