ABC三嵌段共聚物自组织结构模拟文献综述

分类：参考文献    更新时间：04-25    来源：网络

 摘要：嵌段共聚物能够在纳米量级自组织形成多种有序的相分离结构，在生物、微电子等领域具有广泛的应用前景。本论文使用基于动态密度泛函方法的 Material Studio 软件的 MesoDyn 模块,模拟了 ABC三嵌段共聚物在不同的参数条件下形成的自组织相分离结构。模拟研究验证了动态密度泛函方法对于模拟多嵌段共聚物体系的有效性，进一步拓展该理论的应用范围。

关键词：三嵌段共聚物，自组装，序参量，动态密度泛函理论

1．1 前言

嵌段共聚高分子是指由化学性质不同的嵌段通过共价化学键相连接而组成的大分子，在特定的温度下能够形成丰富而又复杂的在纳米尺度，又具有周期性结构的微相形态。这些形态结构在纳米材料设计，例如，纳米光刻，纳米反应器，纳米胶囊等领域有着巨大的应用前景[1]。然而，要可控地设计制备如此复杂的微相结构，必须对嵌段共聚高分子微相分离动力学有透彻的了解。拓扑序列结构比较简单的两嵌段AB型共聚高分子的分相动力学已有相当深入的研究。在这些问题的研究上，模拟不仅能够提供了分析实验结果的理论基础，同时又能够提供与理论结果相比较的实验数据，计算机模拟成为即实验科学和理论科学之后另一重要的科学研究方法

1．2 计算机模拟在嵌段共聚高分子领域的应用

许多高分子和其它软物质体系都是复杂的混合体系，它们通过平衡或非平衡过程自组装成复杂多相形态的结构材料。这些材料包括了高分子合金，嵌段和接枝共聚物 ，聚电解质，高分子络合物，聚合物凝胶等。它们的功能强烈地依赖于调解分子级和宏观级的参量控制相形态的能力。例如苯乙烯-丁二烯的嵌段共聚物，通过调解聚合物分子上苯乙烯和丁二烯的比例，可以设计成硬而韧的透明塑料：也可以设计成为软而柔的热塑性弹性体。最终材料的性能与分子参数和材料一中纳米尺寸下的自组装相关联。很明显，这种关联完全通过实验来确定，这是非常耗费人力和物力的。在设计新型材料上，如果通过计算机模拟的方法来预测纳米和微观的相结构，又与人们感兴趣的各种性能相关联，这将是非常理想而有意义的。近年来计算机模拟在高分子科学领域发展非常迅猛，几乎含盖了高分子物理，化学的各个领域 。在高分子计算机模拟领域中，模拟方法上分为分子动力学方法[2-3]，Monte Carlo 方法[4-5]，以及场论的方法[6-8]。每种方法都有各自的优点，其研究的侧重点也不同。

1．3  动态密度泛函方法(dynamic  density functional)简介

聚合物熔体，表面活性剂溶液等常常形成介于微观和宏观之间的介观微相区(10～l 000 nm)，依据组成和温度的不同，介观相区可以排列成不同的有序结构。如何从理论和计算机模拟角度描述和预测介观结构是高分子物理和胶体与界面化学领域的研究热点之一。目前已发展了多种有效的理论和计算机模拟方法，如动态密度泛函理论(DDFT)， 元胞动力学方法(CDS)和耗散粒子动力学方法(DPD)等。DDFT又称介观动力学(MesoDyn)， 是荷兰学者Fraaije[9]于上世纪9O年代初提出的一个嵌段共聚物微相分离的二维介观结构模拟方法，随后Fraaije及其合作者[10-11]将其成功推广到可压缩系统三维微相分离，剪切场系统，表面活性剂溶液，电场系统等，并于1999年开发出相应的介观动力学模拟软件。 国内外相关领域的多个研究小组也对介观动力学方法进行了许多的研究和应用。动态密度泛函理论所推导的方程依然属于自洽场方程，不同的是动态密度泛函的方程求解过程即为体系的相分离演化过程。

1．4 本论文主要的研究方向

本论文将利用动态密度泛函方法研究了ABC三嵌段共聚物在不同的相互作用参数条件下形成的自组织相分离结构，并讨论了共混体系的相分离演化路径。本文着重讨论了共聚物各个组分的组成比例对嵌段共聚物相分离演化的影响。同时，本文研究了体系的序参量和自由能密度随时间的演化，在一定程度上检验了动态密度泛函方法对于模拟三嵌段共聚物自组织结构的有效性。

结论

我们使用 Material Studio 软件的 MesoDyn 模块模拟了直链型三嵌段共聚物体系相分离结构，可以得出以下结论：

1、直链型三嵌段共聚物体系的各组分之间，总是趋向于彼此分离，而形成只有独立的组分的体系。随着相分离的进行，体系的自由能逐渐下降，各个组分的序参量逐渐提高。

2、直链型三嵌段共聚物体系不同链长的组分 C 对相分离影响显著，随着链长的增长，熔体组分之间的分离逐渐清晰，而且体系由球状相转变为层状结构。

3、随着组分C 链长的增加，体系自由能逐渐降低，体系序参量逐渐增加。

4、直链型三嵌段共聚物体系，随着相互作用参数的增大，相分离越来越彻底，形成的层状结构越来越清晰。

5、随着相互作用参数的增加，体系的自由能和体系的序参量均增加。