基于巨型嵌段聚合物刷的一维光子晶体的合成与性能研究

One dimensional photonic crystals (1D PhCs) based on self-assembled block copolymers have great potential in Bragg mirror, molecular laser, sensors as well as photonic crystal fibers for their easy processing, low cost, scalability, wide tunability, light weight and easy functionalization. However, the 1D PhCs based on block copolymers’ self-assembly are rarely reported due to the contradictory relationship between the self-assembly and the molecular weight (MW). The size of the self-assembly is insufficient to form 1D PhCs at normal MW, while at very high MW, the self-assembly is very difficult because the increased chain entanglement. In this project, various series of exo-norbornene based macromonomers with different composition and structures will be designed and synthesized. The resultant giant block copolymers brushes (GBCBs) with controlled structure will be obtained via ring-opening metathesis polymerization (ROMP). By virtue of the macromonomer design and the giant brush structure, the chain entanglement will be decreased greatly when have the same MW compared to linear block copolymers. Hence, the self-assembly of GBCBs will be much easier, and the corresponding 1D PhCs with controllable properties will be prepared. Studies on the relationship between the reflected wavelength, the reflectance of 1D PhCs and the structure, composition of GBCBs will give clues on designing of 1D PhCs which reflected in whole spectrum with high reflectance. Moreover, functional 1D PhCs with stimulus responsibility will be synthesized. This project will have a great effect on 1D PhCs.

基于嵌段聚合物自组装的一维光子晶体具有可调性好、易于功能化、质量轻、成本低、制备工艺简单等优点，在布拉格反射镜、分子激光、检测器、光纤等方面有巨大的应用前景。然而，低分子量嵌段聚合物的组装尺寸不足以形成光子晶体；而高分子量嵌段聚合物较难相分离形成有序的周期性结构。因此，嵌段聚合物自组装的一维光子晶体报道较少。本项目设计合成一系列不同结构和组成的降冰片烯修饰的大分子单体，利用活性开环易位聚合合成分子量可控、结构可调的巨型嵌段聚合物刷。通过单体的设计，减少聚合物链的缠结，并结合巨型嵌段聚合物刷所具有的链段不易缠结、易于自组装的优势，克服高分子量嵌段聚合物难组装的缺点，高效制备一维光子晶体。研究光子晶体反射波长、透射率与巨型嵌段聚合物刷结构与组成的关系，实现光子晶体性能的可调控性。据此设计合成全波段可调节高反射率的以及刺激响应性的一维光子晶体，为一维光子晶体的开发与发展提供新途径。

嵌段聚合物刷自组装制备一维光子晶体由于其操作简便、成本低、易于功能化等优点而成为近几年的研究热点。然而由于嵌段聚合物的两嵌段的折光指数差较小，所制备的光子晶体反射率较低。本项目针对这一问题从嵌段聚合物刷的结构与性能关系出发，研究嵌段聚合物刷的结构、组成、分子量以及分子量分布等对其自组装所制备的一维光子晶体的性能进行研究。研究结果表明，随着嵌段聚合物刷主链聚合度的增大，一维光子晶体的反射波长增加，并且随着侧链刚性和位阻的增大，其增大程度有所提高。二代树枝状嵌段聚合物刷自组装制备的一维光子晶体的反射波长随主链聚合物的线性增大，其反射率达到80%以上，通过调节主链聚合度制备了紫外-可见-近红外全波段的一维光子晶体。设计侧链结构组成相同，主链分别为刚性和柔性结构的嵌段聚合物刷，研究表明刚性的聚合物主链有利于层状周期的增大，提高其反射波长。同时研究了不同结构嵌段聚合物刷的自组装方法，探索新型的组装方法。将结晶聚合物引入到嵌段聚合物刷侧链制备的半结晶聚合物具有高效快速自组装的特点，通过直接热和结晶自组装的方法在几分钟之内可以制备大面积的一维光子晶体，利用其结晶-熔融的过程方便一维光子晶体的图案化和自修复以及回收利用。设计合成软硬嵌段聚合物刷，结果表明这种聚合物由于软段的增塑作用可以再压力作用下进行本体自组装，其自组装的程度受聚合物结构影响，只有主链与侧链刚性/柔性相一致时，软硬段的相分离较容易制备有序的层状相结构，得到一维光子晶体。该软硬嵌段聚合物刷具有较敏感的力响应性能，并且能够对聚合物内部的受力情况进行图案化，在力传感以及聚合物受力情况分析等方面有潜在的应用价值。最后研究了刺激响应性的一维光子晶体。通过结构设计制备了醇响应的一维光子晶体，可以通过比色法对醇的种类以及组成进行便捷的分析和检测。通过引入聚集发光基团制备双重发色的光子晶体，在防伪以及显示等方面有一定的应用。