刚柔嵌段共聚物自组装行为的快速非格子Monte Carlo模拟研究

刚柔（rod－coil）嵌段共聚物体系的自组装具有丰富的相行为和可调控性，在有机电子、生物工程和高性能聚合物等方面具有广泛的应用前景。然而，由于刚性嵌段所具有的特殊物理性质以及较多的特征参数，对于这种体系中的基本相行为和自组装的进一步理解,成为目前实验和理论研究的巨大挑战。本项目采用新颖的快速非格子Monte Carlo模拟方法对刚柔嵌段共聚物自组装行为进行模拟研究。研究的主要内容包括：考察涨落效应和刚性嵌段硬度对两嵌段共聚物有序-无序转变温度的影响；搜寻并总结复杂三维结构尤其是双连续gyroid结构的形成条件；考察各种自组装形态中刚性嵌段的取向及其影响因素；考察刚性嵌段的硬度、长度、体积分数对形态的影响，分析并揭示不同形态的转变路径和物理机制。我们的模拟研究结果将成为相关实验和理论的有益补充，从而更全面地认识和理解这一体系特殊的相变行为，为新型功能材料的设计和应用提供指导和依据。

在基金的支持和本项目组个研究成员的努力下，我们顺利完成了以下研究内容：. 首先，我们采用非格子Monte Carlo 方法以及“软”(允许粒子重叠)排斥势模型，研究了势的作用距离以及可压缩性对于对称两嵌段共聚物熔体有序-无序转变（ODT）点以及体相周期的影响。并与无规相近似的结果进行比较，研究了涨落效应对于体系相行为的影响。. 接着，我们采用非格子Monte Carlo模拟方法结合蠕虫链模型以及各向异性的Onsager排除体积作用研究了受限于两个表面间的半刚性均聚物薄膜的相行为。我们系统研究了聚合物浓度、受限平板间距以及半刚性链的硬度对体系的影响。模拟表明，当薄膜厚度大于两倍链长时，随着链浓度的增加，体系发生两个相转变，首先是在表面附近，然后是整个薄膜发生各向同性相-向列液晶相的转变。我们进一步的研究表明，链的硬度对于这些相行为也有一定的影响。. 此外，我们对末端接枝在固体表面的柔性两嵌段和三嵌段共聚物刷在溶液中的自组装形态分别进行了模拟。我们系统地研究了溶剂的选择性，聚合物接枝密度和嵌段长度对形态的影响。通过改变嵌段长度得到了丰富的自组装形态，在不同的接枝密度下我们分别构建了相图。