剪切流动下两亲性嵌段共聚物在选择性溶剂中的自组装行为研究

两亲性嵌段共聚物在选择性溶剂中通过自组装所形成的胶束在有序材料制备、药物输送、微反应器等领域具有重要应用和不可替代的作用。而自组装过程通常是在剪切流动下完成的，因此研究剪切流场对两亲性嵌段共聚物在选择性溶剂中自组装行为的影响不仅有助于共聚物胶束的结构调控与性能优化，对深入认识胶束有序结构的形成与转变机理也具有重要意义。但是目前有关剪切流场对两亲性嵌段共聚物在选择性溶剂中自组装行为影响的研究还比较少，人们对剪切流场与共聚物胶束结构及其演化规律之间关系的认识还十分有限。本项目以计算机模拟为主并与实验相结合研究剪切流动下两亲性嵌段共聚物在选择性溶剂中的自组装行为，揭示剪切模式、剪切速率、流场分布等对两亲性嵌段共聚物胶束形态结构及其形成动力学过程的影响，阐明胶束形态结构转变的物理机制，定量给出剪切速率等流体力学特征量与胶束结构之间的关联，为胶束形貌结构调控和应用提供科学依据。

研究剪切流场对两亲性嵌段共聚物溶液自组装行为的影响对深入认识胶束有序结构的形成与转变机理具有重要意义。针对研究计划，我们开展了以下研究工作：.（1）在无剪切条件下采用自洽场方法系统研究了溶剂性质对ABA两亲性三嵌段共聚物在稀溶液中自组装形貌的影响。模拟结果表明通过改变溶剂性质，可以得到一系列的胶束形貌，如：囊泡、笼子状、环形、棒状以及球形等。为深入理解溶剂性质对胶束形貌的影响，我们统计了体系自由能以及胶束表面积随溶剂性质的变化。此外，我们给出了一个ABA三嵌段共聚物在选择性溶剂中自组装胶束形貌的相图，比较全面地给出了各种胶束形貌在相图中的分布。.（2）采用Monte Carlo方法研究了温度诱导两亲性嵌段共聚物胶束形貌的可逆转变。在初始高温条件下得到的球形胶束随着温度的降低会转变为囊泡。将温度提高到初始的高温状态，囊泡会再次转变为球形胶束，表明胶束形貌随温度的变化是可逆的。但是进一步的模拟工作表明，胶束形貌转变的热力学路径依赖于变温速率。在快速变温速率下，体系在一个变温周期中形貌转变所经过的热力学路径是不同的，即热力学路径不可逆。而在慢速变温速率下，形貌转变所经过的热力学路径相同，即形貌转变的热力学路径可逆。.（3）模拟与实验结果表明，聚合物溶液体系的亚稳态能够被剪切流动调控。以ABA三嵌段共聚物囊泡体系为例，我们利用剪切流场成功调控了囊泡的形貌多分散性。剪切速率越大，囊泡尺寸越小，其尺寸分布越窄。然而当剪切速率过高时，体系中将出现非囊泡状胶束。.（4）采用自洽场模拟与格子玻尔兹曼模拟相结合的方法研究了剪切流场对环形胶束向棒状胶束转变规律的影响。模拟结果表明，在简单剪切（均匀流场）条件下，只有当剪切速率足够高时，环形胶束才能在剪切场作用下形成带拖尾的环型胶束，胶束的拖尾部分逐渐变长而环形部分逐渐变小直至消失，环形胶束最终变为棒状胶束。而与此不同的是，在空穴流场（非均匀流场）中，由于流场的不均性，棒状胶束最终会以拖尾环在“三叉点”位置断裂的方式形成。