ABC型嵌段共聚物自组装理论研究进展李露阳,李卫华*复旦大学聚合物分子工程国家重点实验室,复旦大学高分子科学系,上海200438*通讯作者,E-mail:weihuali@fudan.edu.cn收稿日期:2022-11-30;接受日期:2023-01-17;网络版发表日期:2023-03-21国家自然科学基金(编号:21925301)资助项目摘要嵌段共聚物的自组装为功能性纳米材料的制备提供了一种重要途径.ABC型嵌段共聚物相比于AB型具有更大的参数空间,自组装行为也更加复杂.在实验所合成的三组分嵌段共聚物自组装体系中,已有多种复杂结构被发现,如螺旋超柱、编织图案等,但实验上比较难以直接阐明它们的形成机理.近年来,本课题组运用自洽场理论(SCFT)对ABC型嵌段共聚物自组装进行了系统的研究,聚焦探索其结构参数及拓扑结构对相行为的影响机制.本文介绍了本课题组关于“非受挫”和“受挫”两大类ABC型嵌段共聚物自组装的SCFT研究成果,揭示了一些非经典相的形成机理,并通过合理的分子设计预测了一系列新颖的有序结构.关键词ABC嵌段共聚物,自组装,受挫,非受挫,非经典结构1引言单体聚合成聚合物,导致平动熵大幅下降.不同化学成分的聚合物之间微弱的不相容性都可以导致它们不相容,从而发生宏观相分离.将不同聚合物通过共价键相连,形成嵌段共聚物,虽然不会改变聚合物之间的不相容性,但可以把相分离尺寸限制在聚合物分子尺寸范围,将宏观相分离改变成微观相分离,从而形成纳米尺度的周期性结构,表现出独特的自组装行为.这些有序结构的周期尺寸在几纳米到几百纳米不等,在很多领域内具有潜在的应用,如制备高密度存储器[1]、分离膜[2]、光子晶体[3]等.因此,嵌段共聚物自组装受到了实验和理论的广泛关注.多年来,随着合成技术和表征手段的不断进步,各种多组分、多嵌段以及具有不同链拓扑结构的嵌段共聚物被合成出来,它们自组装形成的有序纳米结构也越来越丰富.另一方面,针对嵌段共聚物自组装行为的研究,与实验相辅相成的理论也在不断发展和进步.其中,自洽场理论(self-consistentfieldtheory,SCFT)是研究嵌段共聚物自组装最成功的方法之一,并得以广泛应用[4,5].在自洽场理论中,粗粒化近似、路径积分、平均场近似等手段被巧妙地结合起来,使之能预测嵌段共聚物在介观尺度上的自组装行为.自洽场理论的主要优点包括:(1)精确计算各种周期性结构的自由能,通过比较自由能进而构建热力学稳定结构的相图;(2)给出密度和场的空间分布,基于此可以计算出每一个链段的空间分布,为分析自组装机理提供了最直接的证据;(3)适用于多样化的链拓...
