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華南理工大學(xué)程正迪教授:關(guān)于巨型分子體系中Frank–Kasper σ相與準(zhǔn)晶相之間相轉(zhuǎn)變行為的動力學(xué)研究
2019-07-18  來源:高分子科技

  近年來一系列研究表明基于分子納米粒子精確合成的巨型分子體系(giant molecule)(Macromolecules 2014, 47, 1221.) 是一個研究軟物質(zhì)材料自組裝的理想平臺。通過調(diào)節(jié)巨型分子的相互作用力,幾何形貌,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),巨型分子可以形成一系列包括Frank-Kasper相以及準(zhǔn)晶相在內(nèi)的超分子組裝結(jié)構(gòu)。然而,當(dāng)前較少有工作研究有關(guān)巨型分子體系內(nèi)相形成/相轉(zhuǎn)變的速度以及過程。而這個經(jīng)典的動力學(xué)問題對于更加深入了解巨型分子的自組裝行為至關(guān)重要。

  在此研究中, 一系列ABn型巨型分子通過將一個親水polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS)納米粒子與不同數(shù)量的疏水POSS 納米粒子精確相連而成。通過調(diào)節(jié)同一個巨型分子中疏水POSS的數(shù)量(n=2-6),巨型分子會形成不同的超分子組裝結(jié)構(gòu) (包括六方緊密堆積柱狀結(jié)構(gòu)(HEX), Frank-Kasper A15相,F(xiàn)rank-Kasper σ相)。更為有意思的是,AB5型巨型分子(一個親水POSS納米粒子連接5個疏水POSS納米粒子)以及AB6型巨型分子 (一個親水POSS納米粒子連接6個疏水POSS納米粒子) 在低退火溫度下可以形成十二重對稱準(zhǔn)晶相(Dodecagonal quasicrystal, DQC), 而在高退火溫度下可以形成Frank-Kasper σ相(圖一)。

圖一 ABn型巨型分子小角X-Ray散射(small angle X-ray scattering (SAXS))表征及相圖。

  研究人員通過小角X-Ray散射(Small Angle X-ray Scattering (SAXS))詳細(xì)的研究了DQC相和σ相之間的相穩(wěn)定關(guān)系以及相轉(zhuǎn)變動力學(xué)過程 (圖二)。當(dāng)分子由熔融無序狀態(tài)淬火到低溫狀態(tài)時(110 °C),只有DQC相形成(圖二a,相應(yīng)的結(jié)構(gòu)有序度隨時間變化關(guān)系如圖二d所示);而當(dāng)分子由熔融狀態(tài)淬火到高溫狀態(tài)時(125 °C),只有σ相形成(圖二c,相應(yīng)的結(jié)構(gòu)有序度隨時間變化關(guān)系如圖二f所示;同時再將此樣品置于低溫長時間退火(110 °C),依舊只有σ相形成);當(dāng)分子淬火到中間溫度時(118 °C),SAXS結(jié)果表明DQC相首先形成, 之后逐漸相轉(zhuǎn)變?yōu)?span style="font-family:Symbol;">σ相(圖二b,相應(yīng)的結(jié)構(gòu)有序度隨時間變化關(guān)系如圖二e所示)。實驗結(jié)果表明在此體系中DQC 相是具有動力學(xué)優(yōu)勢的亞穩(wěn)定相,而σ相是穩(wěn)定相。

圖二 基于SAXS的AB5型巨型分子相形成過程的動力學(xué)研究。樣品由熔融無序狀態(tài)下(150 °C)淬火到不同溫度(a) 110 °C, (b) 118 °C, (c) 125 °C后在不同退火時間對樣品結(jié)構(gòu)的SAXS檢測。樣品由熔融無序狀態(tài)下(150 °C)淬火到不同溫度(d) 110 °C, (e) 118 °C, and (f) 125 °C后,樣品結(jié)構(gòu)有序度與退火時間的關(guān)系。

  除此以外,研究人員對于在此相形成/轉(zhuǎn)變過程中的結(jié)構(gòu)有序度變化以及X-ray圖中特征衍射峰強度變化進(jìn)行了詳細(xì)研究。結(jié)果表明DQC相以及σ相的形成都是“成核控制”的過程。同時小幅震動剪切實驗表明當(dāng)同種樣品具有不同超分子結(jié)構(gòu)狀態(tài)時(無序狀態(tài),DQC相,σ相),樣品會表現(xiàn)出不同的流變學(xué)性質(zhì)。

  對于巨型分子相形成/轉(zhuǎn)變的詳細(xì)研究,有助于我們更加深入的了解巨型分子超分子自組裝,從而為進(jìn)一步研究材料結(jié)構(gòu)與材料性質(zhì)之間的關(guān)系打下堅實的基礎(chǔ)。

  論文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsmacrolett.9b00287

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