Rod-coil嵌段共聚物相分离的动力学理论和模拟

本项目中我们借鉴描述柔性嵌段共聚物凝聚态分相动力学获得很大成功的含时Ginzburg-Landau理论，发展适合刚－柔嵌段共聚物动力学演化的理论，得到浓度序参量和取向序参量的动力学演化方程，并且寻找高效的数值求解方法。在推导体系的自由能泛函中，将自由能划分为柔性嵌段和刚性嵌段的贡献，再加上Ohta-Kawasaki的长程相互作用贡献。我们结合密度泛函理论中基本测度理论给出的棒状胶体系统的自由能泛函，通过合适的渐进近似，推导出刚性嵌段的自由能泛函。然后利用发展的刚－柔嵌段共聚物体系的动力学演化理论，研究刚－柔嵌段高分子薄膜在大尺度上（0.5-10微米）自组装的动力学，理解取向序参量的耦合对自组装有序化动力学过程的影响；阐明刚－柔嵌段高分子在旋涂、溶剂蒸汽、电场、温度梯度、衬底调控等外部实验条件下凝聚态的演化机制。所发展的理论方法有助于理解共轭高分子链构象、链取向和凝聚态结构之间的耦合。

本项目主要是运用自洽场理论方法（self-consistent field theory, SCFT）和含时Ginzburg-Landau理论（time-dependent Ginzburg-Landau theory, TDGL）方法分别研究了嵌段共聚物自组装的热力学平衡态和动力学，主要取得了一下的研究成果：（1）通过TDGL模拟研究了图案诱导下层状和柱状结构的有序化动力学，揭示了图案诱导下层状和柱状结构的有序化机理；（2）发展了基于异相成核的图案诱导自组装，大幅提高了图案诱导的效率；（3）提出了“为感兴趣的目标结构，设计相应的嵌段共聚物分子结构”的新理念，通过自洽场理论计算证实了该理念的可行性，预测了一系列的单元和二元晶体结构；（4）结合自洽场理论和弦方法计算了层状结构中典型缺陷消亡的最小自由能路径，揭示了dislocation缺陷的稳定性和相分离强度参数χN的重要关系。项目的研究成果在J. Am. Chem. Soc.（1篇）、Phys. Rev. Lett.（1篇）、ACS Macro Lett.（1篇）、Macromolecules（3篇）、Annu. Rev. Chem. Biomol. Eng.（1篇）、Soft Matter（1篇）等上发表了15篇SCI论文。