表面取向效应诱导高分子链构象转变问题的理论计算

The interplay of polymer and surface is one of the main concerns in the polymeric research fields, and at the same time, is also directly related to a large of practical systems, such as polymer nanocomposites, polymer thin-films, photoelectric functional materials. So, this study has the important significances in theoretical research, as well as in practical applications. The chain rigidity which is a common characteristic for the majority of polymers induces the anisotropic interactions between polymers and surface. It leads that the statistical behavior of chain configurations is strongly affected by the curvature of the surface. However, the significant mechanism in physics can not be correctly depicted by the Gaussian chain model widely adopted by the theoretical studies before. This proposal intends to use the self-consistent field theory based on the Wormlike chain model for the study of polymer-surface interplay, inclusive of adsorption-depletion, self-assembly of polymers on surface and polymer confinement. Our research focuses on the polymer phase transitions induced by the effect of surface orientation coupling with the change of polymer configurations and interaction between segments. Our study will provide the distinct pictures and foundations from the perspective of physics for the study of polymer nanocomposites and the relevant biological systems and also be helpful to the corresponding theoretical researches in the future.

高分子与表面的相互作用是高分子研究领域中的重要问题，同时也与聚合物纳米复合材料、薄膜材料、光电功能材料等实际应用体系直接关联，因此在理论研究和实际应用中都具有重要意义。由于实际的高分子链大多具有一定的刚性，使得高分子与表面之间产生各向异性相互作用，从而导致高分子链的构象统计行为将受到表面曲率作用的显著影响，而以往被理论研究所广泛采用的柔性高斯链模型无法对此重要物理机制进行正确描述。本课题计划采用基于蠕虫状链模型的自洽平均场方法系统研究高分子与表面的相互作用，包括高分子与粒子外表面的吸附-耗尽现象、高分子在粒子表面上的自组装和高分子受限体系，重点研究在考虑高分子链构象转变以及链段之间存在取向相互作用下，由表面取向效应诱导高分子发生的诸多相变问题。预计研究结果将会为研究高分子纳米复合材料以及相关生物体系提供清晰全面的理论图景和依据，同时，也将对今后相关体系的理论研究提供参考与帮助。

本课题主要研究高分子与表界面相互作用的物理机制，重点关注表界面的取向诱导作用对高分子链构象转变对聚合物体系自组装微观结构形成的影响。围绕这一研究主题，我们采用基于蠕虫状链模型的自洽场理论方法针对短链嵌段共聚物体系的相分离以及半刚性聚合物自组装微结构形成的微观物理机理展开研究，研究表明高分子链构象受表界面的影响显著，而这一作用对于短链聚合物体系尤为明显，其与链段体积效应的耦合物理机制，不仅可以调控微结构的尺寸，同时对其热力学稳定性起着决定性作用，是对聚合物自组装微结构调控的重要物理手段。在研究刚柔多嵌段共聚物自组装体系时，我们发现表界面可以通过诱导刚性嵌段取向有序排列，最终对嵌段共聚物自组装微相结构实现间接调控。另外，我们采用基于昂萨格原理的变分理论方法对表界面对聚合物微结构形成的动力学路径调控展开研究。我们研究不同尺寸聚合物胶体粒子在溶液蒸发情况下，最终依据胶体粒子的几何尺寸自发形成分层现象，该体系中随着溶液蒸发导致的液面（下降）变化导致了最终聚合物胶体粒子的分层自组装，这部分研究成功解释了蒸发驱动下大小胶体粒子的反常分层现象，首次绘制了蒸发驱动的非平衡状态图。我们将理论模型应用到聚合物胶体粒子定向冷冻条件下的自发分层机理的研究，通过调节冷冻界面的下降速度，研究其对具有取向型胶体粒子定向排列的影响。通过进一步修改物理模型，我们也研究了片状石墨烯溶液在预浸润表面中的定向输运从而制备超大面积薄膜的物理机制。我们的研究明确表明，表界面的取向诱导作用对于聚合物自组装微结构的动力学形成路径以及热力学稳定性的影响至关重要，是实现对其人为调控的有效物理手段，通过对其物理作用机制的深入研究，不仅对于高分子物理的理论研究具有重要研究意义，同时，该研究也为嵌段共聚物平板印刷术、高分子液晶薄膜和光电功能材料等重要表界面体系的实验研究提供有力的理论依据。项目执行期间共发表SCI论文17篇，其中第一/通讯作者发表SCI论文13篇，其中包括Phys. Rev. Lett. 1篇，Advanced Materials 2篇，Soft Matter 2篇，J. Chem. Phys. 2篇，Langmuir 1篇， Phys. Rev. E 1篇等。