手性高分子的片晶形态手性形成机制

微观结构如何影响材料的宏观结构手性，仍是一个不解之谜。本申请以手性高分子为研究对象，拟从不平衡表面应力的角度研究分子手性等微观结构和高分子片晶宏观形态手性（片晶扭转和弯曲）的关系。拟研究影响高分子折叠链片晶表面结构和结晶动力学的各种因素，如共聚、共混、过冷度、溶剂氛围、体系粘度和退火处理等因素，对表面应力以及片晶的手性生长形态的影响。通过实验测定和理论模拟，尝试建立微观结构－表面应力、表面应力－片晶生长手性的定量关系。在此基础上，研究高分子薄膜不同层次结构手性对旋光性能的影响。本研究有望揭示折叠链片晶手性生长的内在机制，为高分子结晶的形态调控和旋光性能优化提供理论依据。

本项目从实验和理论上研究了手性高分子——聚羟基脂肪酸酯片晶形态手性(片晶扭转和弯曲)的形成机制,揭示了聚集态结构对结晶高分子薄膜旋光活性的影响。结果表明，在不改变分子手性的前提下，通过共聚或者共混改变片晶表面基团的大小和数量，可以使片晶扭转手性发生反转。据此，在文献中表面应力导致片晶扭转的基础上，我们进一步提出各向异性的表面应力分布决定片晶扭转的手性方向。进一步地，和力学系冯西桥教授、王建山博士合作，建立了定量描述片晶扭转和弯曲的模型。模拟结果表明，表面应力方向的改变可以导致片晶扭转手性的反转。我们的这一工作，从实验和理论上揭示了表面应力分布影响片晶生长手性的机理，解决了片晶扭转手性和低级结构关系这一困扰广大研究者多年的问题。定量计算表明，片晶表面应力大小随过冷度增加而增大。此外，和美国纽约大学Kahr教授合作，采用Mueller矩阵显微镜，对手性和非手性高分子结晶薄膜的旋光行为进行了表征。结果表明，手性聚乳酸结晶薄膜惊人的旋光性能，主要来自于片晶间的交错排列，而分子手性对各向异性的多晶薄膜的旋光效应贡献很弱。非手性高分子聚丁二酸丁二醇酯环带球晶，由于片晶扭转,同一球晶中存在旋光方向相反的两种区域。研究成果在JACS、Macromolecules、Polymer、高分子学报等刊物上发表文章10篇，其中SCI 收录文章8篇。项目负责人先后获得2010中国石油和化学工业协会科技进步二等奖（第4完成人）、2011年洪堡高级访问学者、2012年冯新德高分子奖。培养的一名博士生获得国务院学位委员会2011年度博士研究生学术新人奖，一名硕士生获得清华大学优秀硕士学位论文。