嵌段共聚物在受限状态下自组装的模拟研究

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嵌段共聚物体系在受限状态下的自组装过程,受施限结构体的几何形状、界面性质影响,表现出与本体状态下不同的相行为特征。人们可以利用这些受限特征,制备结构新颖的纳米材料。研究嵌段共聚物体系在受限条件下的自组装过程,还有助于人们深入探讨嵌段共聚物的相行为本质。在本体状态中人们难以观察到的、相近体系间的相行为差异,在受限状态下可以清晰地展现出来。本论文使用计算机模拟方法,系统研究了二嵌段和三嵌段线性共聚物在平行板间、圆孔内和球壳内的自组装现象。1.使用Monte Carlo方法模拟研究对称的二嵌段共聚物在纳米圆孔内的自组装相行为。研究发现,共聚物体系在中性表面场作用下,倾向于采取垂直于孔壁的“多层碟状”或“螺旋状”结构排列;在强吸引表面场作用下,体系倾向于形成平行于孔壁的“柱”状结构:在中间表面场作用下,体系可以形成“穿孔柱状”、“多层环状”等结构。我们发现,弱表面场作用下,“多层碟状”和“螺旋状”结构总是兼并出现。2.应用自洽场理论研究柱状二嵌段共聚物在纳米圆孔内的自组装结构。与以前的研究不同,本论文研究了在弱相分离区域的柱状二嵌段共聚物在纳米孔内的自组装行为。与强相分离区域的柱状体系相比,弱相分离体系可以形成更加复杂的结构。我们的模拟研究结果可以与现有实验结果准确吻合。3.应用自洽场理论,研究处于不同相分离限的柱状二嵌段共聚物体系,在球壳内的自组装相行为。本论文中,分别考虑了处于强、中度和弱相分离限的三种本体柱状结构体系。我们发现,处于弱相分离限的体系受表面场影响,容易形成“空心球层状”或“穿孔球层状”结构;处于强相分离限的体系,在特定情况下会形成“分散的颗粒状”;处于中度相分离限的体系,表现出介于强、弱相分离限体系之间的相行为特征。4.使用Monte Carlo模拟退火的方法,研究受限在平行板间的柱状三嵌段共聚物的自组装相行为。通过与相同受限条件下的柱状二嵌段共聚物体系的比较,我们发现三嵌段共聚物的相行为与二嵌段体系不同,且具有更强的保持柱状结构的能力。5.Monte Carlo模拟研究柱状三嵌段共聚物受限在圆孔内的相行为。我们系统考察了在不同的孔壁表面场作用下,三嵌段共聚物体系的自组装结构。孔壁呈中性时,“条带状”与“螺旋状”结构交替出现;孔壁吸引长嵌段组分时,体系在较大的孔径范围内都可以形成“穿孔筒状”结构;孔壁吸引短嵌段组分时,体系内层结构演化出现从“不连续颗粒状”到“柱状”、“扁平柱状”、“螺旋状”的规律。
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