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球状三嵌段共聚物在受限条件下的结构演化

杨新环  
【摘要】:三嵌段共聚物在几何受限和衬底作用的情况下,能够形成多种不同于本体的有序微观结构。这对于纳米材料制备等新技术领域有指导意义。本文运用基于动态平均场密度泛函理论的软件MesoDyn,对本体为球状相的三嵌段共聚物A_8B_4A_8的相行为进行了模拟研究。 选定了使其本体形成球状相的最佳参数:嵌段A和B间的相互作用参量εAB =8 kJ/mol,压缩系数D=8。等密度值为0.2,经过系列模拟和分析计算,给出球状三嵌段共聚物A_8B_4A_8的本体周期值约为6nm。 在一维受限(薄膜)情况下,调整薄膜的厚度和衬底作用参量,对球状三嵌段共聚物A_8B_4A_8进行了大量模拟研究,得到了多种有序微观结构。其中代表性结果有:(1)膜厚与本体周期近似匹配时,6nm≤H≤7nm,薄膜的微观结构都是一层,且H=7nm时,系统有垂直于衬底的柱状相形成;11nm≤H≤12nm,薄膜的微观结构都是两层,形成的微观结构基本相同,依次有浸润层状相、六角排列的球状相、平行于衬底的状相、穿孔层状相和层状相形成。(2)膜厚与本体周期不匹配时,H=8nm且衬底有效作用参量在εM=4kJ/mol附近,系统有垂直于衬底的柱状相形成,并且没有球状相形成;H=10nm,系统有垂直于衬底的柱状相形成,而且也有六角排列的球状相形成;H=15nm,εM=7kJ/mol系统形成上层为球状相、下层为垂直于衬底的柱状相;H=15nm,9kJ/mo≤εM≤13kJ/mol系统形成表面层为平行柱、内部为球状相。还研究了εM=5 kJ/mol,不同膜厚情况下形成稳定微观结构的动力学过程。根据模拟结果绘制出三嵌段共聚物A_8B_4A_8薄膜的结构相图。 在二维受限(圆柱)情况下,分别在较小圆管(d=15nm)和较大圆管(d=30nm)中进行模拟研究。发现衬底有效作用参量和嵌段共聚物受限空间的直径对嵌段共聚物A_8B_4A_8圆柱表面的微观结构有重要影响。


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