基于介观尺度嵌段共聚物单晶的自组装及调控研究

Polymer single crystals can be considered as a model system of anisotropic colloidal platelet-like particles because of the particular structure and uniform size, which not only have shape anisotropy, but also have interaction anisotropy in dispersions. In this project, we will use the single crystals as the new mesoscopic building blocks of anisotropic colloidal particles, to construct a macroscopic highly oriented liquid crystalline phase. We mainly study the hierarchical self-assembly process from polymer chains to single crystal, and further to liquid crystal. In the new model system, factors influence of phase transition, the mechanism of phase transition and the special interfacial properties will be studied by investigation of the liquid crystalline phase formation and characterization of phase structure. Understanding the new model system can not only enrich the content and scope of anisotropic particle assembly, but also provide deeper insight into the soft matter behavior at different scales.

聚合物单晶结构独特、大小均匀，不仅具有形状上的各向异性，而且在分散剂中还具有相互作用的各向异性，可以看作是各向异性片状粒子的模型体系。本项目将嵌段共聚物单晶作为介观尺度各向异性片状粒子新的组装单元，来有效地构筑宏观高度取向的液晶有序结构。重点研究从聚合物分子链到聚合物单晶再到宏观液晶有序结构的多级自组装过程，通过对液晶相的形成及相结构的表征，研究在新的模型体系下影响液晶相转变的因素、相转变的机理以及液晶相的特殊界面性质。对这一新的模型体系的认识，不仅能够丰富各向异性粒子组装的内容和范围，还将有助于加深对不同尺度下高分子软物质行为的认识。

本项目以嵌段共聚物单晶作为核心研究对象，首次提出从片状的介观尺度的组装单元这一全新的角度来认识聚合物单晶，实现了从聚合物分子到单晶再到液晶的多级自组装，并取得了以下研究成果：（1）通过自晶种溶液结晶的方法成功制备了宏量、均匀的嵌段共聚物单晶及复合单晶，通过调节成核温度（Ts）、成核时间（ts）和结晶温度（Tc）实现了对晶体的尺寸和形状的调控。（2）在无外场作用下，利用嵌段共聚物单晶分散体系得到了宏观尺度上片状单晶平行排列的向列相液晶结构，研究表明单晶分散体系的液晶相转变具有非常低的临界相变浓度，较宽的两相共存区域。液晶有序的本质是熵致有序，而高度取向的原因是单晶侧面之间的弱吸引相互作用与重力沉降和布朗运动的耦合效应。（3）利用小角X射线散射（SAXS）技术原位表征了单晶粒子在悬浮体系中的的结构信息。单晶的尺寸、浓度和溶剂性质都会直接影响嵌段共聚物单晶之间的相互作用，导致液晶相的层状结构和排列方式发生变化。研究结果表明这类新颖的嵌段共聚物单晶构筑的自组装结构具有折射率的梯度变化，可以产生奇特的光学现象，有望应用于光子晶体材料的制备。