两嵌段共聚物自组装微相结构的链段刚性效应研究

Block copolymers broadly applied in a variety of fields of biomedication，construction, communication, electronics, chemical engineering have the important significances in theoretical research and practical applications. Basically, the current polymer theories usually use the extremely "flexible" Gaussian chain model to mimic a real block copolymer ignoring the polymer rigidity. It leads to a fatal defect which is not able to be overcome from the perspective of theoretical model itself. This proposal intends to use the self-consistent field theory based on the Wormlike chain model for the study of rigidity effects on the self-assembled morphologies. Considering the rigidity of polymer chain controlled by the persistence length and anisotropic orientational interactions between the segments, we study the properties of morphologies self-assembled by block copolymers. Our studies will be helpful for the understanding of self-assembly of block copolymers further and extend self-consistent field theory into the field of the crystalline polymer.

嵌段共聚物可广泛应用于生物医药、建筑、通信、电子、化工等各个领域，在理论研究和实际应用中都具有重要意义。现有的嵌段共聚物自组装理论模拟基本上都采用极端柔性的"理想"高斯链模型而忽略了高分子链的刚性效应，这必然造成理论模型在实际应用中存在不可克服的严重缺陷。在项目组已有工作基础上，本项目拟采用基于蠕虫状链模型的自洽平均场方法，通过改变蠕虫状链模型的链段刚性参量（如持久长度变量），对两嵌段共聚物自组装微相结构、相行为以及微相跃迁规律等问题进行理论研究，绘制出随链段刚性变化的两嵌段共聚物相图，建立研究两嵌段共聚物自组装微相结构的蠕虫状链模型的自洽平均场方法。预期研究结果有助于更深入理解两嵌段共聚物自组装机制，为高分子液晶材料的自洽场研究方法的建立奠定理论基础，为包括两嵌段共聚物在内的高分子复杂功能凝聚态结构的有效调控提供理论依据。

本项目采用基于蠕虫状链模型的自洽平均场方法研究嵌段共聚物自组装形成的微相结构。绘制了包含空间3维结构在内的蠕虫状两嵌段共聚物自组装的完整相图，研究结果表明，链段的刚性效应将显著影响各种微相结构稳定相区的位置，较强的链段刚性将导致高维复杂结构的相区尺寸缩小乃至最终消亡，最终整个相区完全被层状相占据。特别是发展了高效、可并行计算的数值方法，为今后运用该理论研究相关体系提供了切实可行的解决方案。提出了精确求解蠕虫状链结构因子的有效数值方法，并基于RPA理论研究了蠕虫状两嵌段共聚物自组装微相分离ODT随高分子链构象变化的影响。此外，将液晶相的研究拓展至更加复杂的刚柔两嵌段共聚物体系中，理论预测了改变柔性链段的刚性对于两嵌段共聚物体系液晶相结构转变的影响，即“六角”柱状相-“椭圆形”柱状相-层状相液晶相转变规律，通过仔细比较所得结构的自由能，构建了该体系的相图。该项目的实施基本按照申请书中执行，并如期完成了申请书中承诺的成果。项目执行期间共发表SCI论文7篇，其中第一/通讯作者发表SCI论文5篇，Phys. Rev. Lett. 1篇，Soft Matter 2篇，J. Chem. Phys. 1篇，Phys. Rev. E 1篇。