AFM单分子力谱研究聚合物单晶的熔融与结晶过程

The crystal structure of a polymer affects greatly the macroscopic properties of the corresponding polymer materials. The molecular mechanism, kinetics and thermodynamics of polymer crystallization are important research areas of polymer physics. Understanding the mechanism of polymer crystallization and melting will facilitate the efficient control on those processes and lay a solid foundation for the crystal engineering and the design of high performance polymer materials. AFM-based single-molecule force spectroscopy has become one of the most efficient methods for the investigation of intra- and inter-molecular interactions at individual polymer chain level due to its high force sensitivity and high spatial resolution. In this project, on the basis of our previously established method, we intend to further investigate polymer crystallization and melting at the single-molecule level, including the effect of composition/structure of polymer chain on the stability of the single crystal and the crystallization process, the effect of end group on the conformation stability of the folded polymer chain within the single crystal, and the effect of different magnitude of external forces on the crystallization, to provide deeper insight into polymer crystallization and melting.

聚合物的结晶结构与形态对高分子材料的宏观性能具有重要影响，聚合物结晶过程的分子机理、结晶热力学、动力学等构成了高分子物理的重要研究内容。理解聚合物结晶与熔融过程的分子机理有利于实现对结晶及熔融过程的有效调控，从而为聚合物晶体工程及高性能高分子材料的设计奠定坚实基础。基于AFM技术的单分子力谱以其高的力学灵敏度及空间分辨率成为研究聚合物晶体中单个聚合物分子内、分子间相互作用的有效手段。本项目拟利用课题组前期建立的AFM成像及单分子力谱相结合研究PEO单晶的实验方法，进一步从单个分子水平研究聚合物单晶的熔融与动态结晶过程，考察聚合物链结构（组成）等对晶体稳定性及结晶过程的影响、揭示聚合物链末端基团对晶体中折叠链结构稳定性的影响以及不同大小的外力等对结晶过程的影响规律，进一步加深人们对聚合物结晶及熔融过程的认识。

本项目以聚合物单晶为模型体系，探索了受控分子动力学模拟和AFM单分子力谱在单分子水平研究聚合物结晶与熔融过程中的应用。我们系统地研究了晶区中链结构与构象对力诱导熔融过程中力学性质和链运动的影响规律，发现了螺旋链与锯齿形链在力致熔融过程中运动模式的显著差异；同时研究了末端基团、无定型链环和嵌段分子对晶体力诱导熔融的影响，揭示了基团尺寸、链内无定型链环传递和有限尺寸效应。相关信息被成功用于纳米力学性质可控的聚合物晶体的设计和制备。为了更加精准地研究力诱导熔融解链过程我们发展了空气相单分子力谱技术，显著提升了力谱探测的拉伸速率及力学精度，并成功观测到力致熔融过程的一些中间态。我们还建立了单分子水平监测聚合物结晶过程的实验方法，揭示了力诱导结晶和次级成核等现象的分子机制。.本项目的开发的相关实验方法，可用于其它聚合物体系的研究。