嵌段共聚物Single plumber′s nightmare网络结构的动力学构筑方案

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.240047

摘要/Abstract

摘要：

嵌段共聚物通过自组装行为在纳米尺度上形成的三维网络状有序结构在许多领域均具有非常重要的潜在应用价值，受到了高性能材料科学领域研究人员的广泛关注，尤其是其中的单螺旋（Single gyroid）网络状有序结构、单金刚石（Single diamond）网络状有序结构和Single plumber′s nightmare（SPN）网络状有序结构，一直是三维光子晶体研究领域关注的热点之一。虽然采用调节链拓扑结构、共混和多组分等方法在嵌段共聚物体系中发现了前2种网络状有序结构的稳定相区，但是对于SPN网络状有序结构，目前还尚未找到有效的办法来稳定该网络状有序结构。有鉴于此，通过设计B₁A₁B₂A₂C₃B₃、B₁A₁B₂A₂C₃、B₁A₁C₂B₂A₂C₃、B₁A₁C₂A₂C₃和B₁C₁A₁C₂A₂C₃快速组分变化线形多嵌段共聚物体系，并基于稳定的简单立方堆积球状有序结构利用C嵌段组分由B组分到A组分的快速转变构造不稳定状态，研究了从这些不稳定状态出发的非平衡态结构演化动力学过程及其机理以及C嵌段位置、数目和长度的影响。研究发现，在C嵌段的组分发生快速转变之后，相应的非平衡态结构演化动力学过程可以在较为宽广的A组分体积分数范围内最终到达亚稳定的SPN网络状有序结构，这可能主要是由于简单立方堆积球状有序结构的对称性与SPN网络状有序结构的对称性均属于第221号空间群。

关键词: 嵌段共聚物, 球状有序结构, 网络状有序结构, 快速组分变化, 非平衡态自组装行为

Abstract:

The ordered mesostructures formed by block copolymers on the nanoscale via the self-assembly have attracted a lot of attention of high-performance material science due to its important， potential applications， especially the single gyroid network， single diamond network， and the single plumber′s nightmare （SPN） network. These three networks are very important in the fields of three-dimensional photonic crystals. Whereas single gyroid and single diamond have been stabilized in block copolymers by adjusting the chain architectures， blending， and using multicomponent systems， so far， no effective way has been found to stabilize the SPN network. Considering such situations， by designing B₁A₁B₂A₂C₃B₃， B₁A₁B₂A₂C₃， B₁A₁C₂B₂A₂C₃， B₁A₁C₂A₂C₃， and B₁C₁A₁C₂A₂C₃ multiblock copolymers and based on the simple cubic spheres to generate the unstable states via the rapid-component change of blocks， C， from B to A， the nonequilibrium kinetics of structural evolution starting from these unstable states and the corresponding mechanism as well as the effects from the number， position， and size of blocks， C， are explored. The exploration indicates that the metastable SPN network can be reached by the nonequilibrium kinetics of structural evolution after the rapid-component change of blocks， C， within a relatively wide range of volume-fraction A， which is mainly because that the symmetry of simple cubic spheres is the same as that of SPN （No.221 space group）.

Key words: Block copolymer, Spherical mesostructure, Network mesostructure, Alchemical transformation, Nonequilibrium self-assembly

中图分类号:

O631

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图/表 3

图1 体系尺寸L对简单立方堆积球状有序结构单链自由能的影响

Fig.1 The effect from the system size， L， on the single-chain free energy of simple cubic spheres

图2 从构造的不稳定状态出发的非平衡态结构演化动力学过程最终到达的结构状态的分布图。其中，ξ表示B3嵌段长度与B1嵌段长度的比值的以10为底的对数； SC、SP和DIS分别表示简单立方堆积球状有序结构、SPN网络状有序结构和无序状态；蓝色虚线表示简单立方堆积球状有序结构与SPN网络状有序结构之间为gradual crossover；红色实线表示简单立方堆积球状有序结构与无序状态之间为一级相变

Fig.2 The diagram of states reached by the nonequilibrium kinetics of structural evolution starting from the generated unstable states. ξ is the logarithm to the base 10 of the ratio of the length of B3-block to the length of B1-block. The abbreviations， SC， SP， and DIS denote simple cubic spheres， SPN networks， and disordered states. The blue dashed line indicates the gradual crossover between simple cubic spheres and SPN networks， whereas the first-order transition between simple cubic spheres and disordered states is indicated by the read solid line

图3 在快速组分变化之前ξ≈0.3188并且在快速组分变化之后fA?*=0.50时相应的非平衡态结构演化动力学过程，其中，红色表示A组分，蓝色表示B组分，绿色表示A组分和B组分之间的界面A. t=0.0025τM； B. t=0.005τM； C. t=0.025τM； D. t=0.075τM； E. t=0.125τM； F. t=0.15τM； G. t=0.1775τM； H. t=0.2075τM. τM denotes the time for the evolution of unit volume fraction

Fig.3 The nonequilibrium kinetics of structural evolution when ξ≈0.3188 before the rapid-component change and fA?*=0.50 after the rapid-component change. The red， blue and green in figurerepresent the component A， B， and C respectively

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