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北大裴堅教授、王婕妤教授團隊《Nat. Commun.》:基于鏈長依賴的共軛分子體系多級組裝結構的可視化探究
2023-06-13  來源:高分子科技

  共軛聚合物的多級組裝結構包括單鏈構象,溶液聚集態,固態微觀結構以及器件結構。理解共軛聚合物多級組裝結構的演變過程對于深入理解其電荷傳輸行為具有非常重要的意義。然而,多級組裝結構跨越了從埃到厘米的廣泛空間維度,其詳細表征具有一定挑戰性,多級組裝結構與器件性能之間的構效關系也不夠明確。


  鑒于此,北京大學化學與分子工程學院裴堅教授與王婕妤教授團隊采用一系列可視化的表征手段探究了基于鏈長依賴的共軛分子體系多級組裝結構的演變脈絡。他們合成了具有不同鏈長度的異靛藍基的寡聚物與聚合物體系:(IID-DT)2-IID, (IID-DT)3-IID, (IID-DT)5-IID, IIDDT19, IIDDT57和IIDDT99(如圖1所示),發現對于寡聚物和低分子量聚合物而言,其在溶液中呈現短而剛的鏈構象并且形成分散的纖維狀聚集體,在成膜時,這些分散的聚集體會進一步結晶生長形成高結晶性的固相形貌,而差的疇區間連通性是導致較差電學性質的關鍵;對于高分子量聚合物而言,在溶液中長而柔性的鏈構象使得一條鏈往往會參與多個纖維聚集體的形成以形成四通八達的聚集體網絡,在成膜時,聚合物傾向于直接繼承溶液聚集態結構從而形成低結晶性固相形貌,并且直接來源于溶液聚集態結構的高密度連接鏈是導致其優異電學性質的原因。對于共軛分子體系多級組裝結構的可視化探究為深入理解溶液聚集態與固相微觀形貌之間的繼承關系奠定了基礎,也進一步完善了組裝結構與器件性能之間的構效關系。 


圖1、異靛藍基寡聚物與聚合物鏈構象差異。a, 異靛藍基寡聚物與聚合物化學結構。b, 寡聚物合成過程示意圖。c, 三種聚合物提純過程示意圖及相應多級組裝結構演變示意圖。d, (IID-DT)5-IID, IIDDT19, IIDDT57和IIDDT99冷凍電鏡圖像中纖維長度平均分布情況。紅線表示具有不同單體數目的單根鏈的理論長度。


  在本工作中,作者創新性的使用液相電鏡可視化地表征了聚合物及寡聚體在溶液中的動態解聚/聚集過程,輔以變溫光譜以及分子動力學模擬的分析結果我們可以發現,不同鏈長的共軛分子的溶液聚集態的解聚過程均為一個大的聚集體先傾向于分裂為兩個中等尺寸聚集體,隨后在到達某一臨界尺寸后迅速分解為單鏈狀態,但是鏈長度越長其解聚的溫度區間越高(如圖2所示),說明長鏈聚合物的分子間相互作用更強,更難被打破。 


圖2、聚集態結構在溶液中的解聚/聚集動態過程可視化。a, 石墨烯液體袋制作過程示意圖。b, IIDDT19解聚過程的代表性圖像。c, 圖b相應的二進制圖像。d, 寡聚物和聚合物的變溫吸收光譜中光學帶隙隨溫度變化情況。e-i, 0.01 g L-1的寡聚物與聚合物氯萘溶液的變溫吸收光譜。


  通過旋涂過程中原位吸收光譜的表征以及凍干圖像與薄膜圖像中的纖維直徑對比,作者發現寡聚物與低分子量聚合物在成膜過程中會發生進一步的結晶生長,而高分子量聚合物則傾向于直接繼承其在溶液中的聚集態結構(如圖3所示)。


圖3、溶液聚集態結構與薄膜微觀形貌可視化。a, 三種聚合物的凍干AFM圖像。b, 三種聚合物的凍干AFM圖像中纖維直徑分布。c, 三種聚合物的薄膜TEM圖像。d, 三種聚合物的薄膜TEM圖像中纖維直徑分布。


  最終,共軛分子體系的遷移率與摻雜電導率都隨著分子量的增加而增高(如圖4所示),作者認為這主要是由于高分子量聚合物薄膜中直接來源與溶液聚集態結構的高密度連接鏈對于電荷傳輸的高效貢獻。 


圖4、共軛分子體系的電荷傳輸行為。a, 鏈長度相關的遷移率變化情況。b, 鏈長度相關的最大摻雜電導率變化情況。


  該項工作為共軛分子體系多級組裝結構與器件電學性質之間的構效關系提供了更深入的理解,為優化有機電子器件的性能提供了普適有效的策略。該工作以“Visualizing the multi-level assembly structures of conjugated molecular systems with chain-length dependent behavior”為題發表在Nature Communications期刊上,文章第一作者為北京大學博士研究生周洋洋,該研究得到國家自然科學基金委的支持。


  該工作是團隊近期關于共軛聚合物多級組裝結構的最新進展之一,在過去的幾年中,團隊進行了共軛聚合物多級組裝結構與器件性能的構效關系研究與相關調控策略的多項研究(Angew. Chem. Int. Ed. 202261, e2022002; CCS Chem. 20213, 2994–3004; Angew. Chem. Int. Ed. 202160, 20483–20488; Macromolecules 202154, 5815-5824; Angew. Chem. Int. Ed. 202059, 17467 –17471; Advanced Materials201729, 1701072.)


  原文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-023-39133-w


  參考文獻:Zhou, Y.-Y.; Xu, Y.-C.; Yao, Z.-F.; Li, J.-Y.; Pan, C.-K.; Lu, Y.; Yang, C.-Y.; Ding, L.; Xiao, B.-F.; Wang, X.-Y.; Shao, Y.; Zhang, W.-B.; Wang, J.-Y.; Wang. H.; Pei, J. Visualizing the multi-level assembly structures of conjugated molecular systems with chain-length dependent behavior. Nat Commun 14, 3340 (2023).

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(責任編輯:xu)
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