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    浙江理工大學王新平教授、左彪副教授團隊PRL: 納米受限聚合物動力學調控新方法
    2019-05-31  來源:中國聚合物網

      浙江理工大學化學系王新平教授、左彪副教授研究團隊在納米受限聚合物分子動力學研究方面取得新進展。他們通過精確調控吸附在固體基底上高分子鏈的局部構象,實現了對聚合物基底界面效應傳播深度以及納米受限聚合物分子運動行為的調節,開創了界面吸附結構調節納米受限聚合物玻璃化轉變及分子運動行為的新思路。研究結果以“The Effect of Local Chain Conformation in Adsorbed Nanolayers on Confined Polymer Molecular Mobility”為題發表于Physical Review Letters上 (Phys. Rev. Lett. 2019, 122, 217801)。左彪副教授為論文第一作者,浙江理工大學碩士生周浩為第二作者,左彪副教授王新平教授和美國普林斯頓大學Rodney Priestley教授為通訊作者。

      當高分子材料尺寸降低至分子鏈相當尺度,分子鏈處于納米受限狀態(Nano-confinement)。受限效應導致高分子運動行為偏離本體,呈現出尺度依賴性。經典高分子物理無法準確描述納米尺度聚合物分子運動,造成納米尺度高分子材料的成型、加工、結構設計等缺乏理論依據和指導。如何理解和認識納米受限聚合物分子動力學、實現對其物理性質的調控是近二十年來高分子物理領域的重要研究課題。表/界面是影響納米受限聚合物分子運動行為的主要因素。固體基底與高分子鏈間相互作用抑制分子運動能力,且這種抑制作用具有長程傳播距離,影響界面以上數十納米深度分子鏈運動,進而改變整個納米體系動力學。界面效應傳播途徑的原位表征和調控是關鍵和難點。論文作者提出通過調節分子鏈在固體基底界面的吸附構象來調節界面效應傳播途徑的新思路。通過在聚苯乙烯鏈上引入對羥基苯乙烯(HS);HS與氧化硅基底的氫鍵作用誘導其吸附在基底界面,苯乙烯(S)鏈段往外伸展形成環狀(loop)構象(圖1)。通過調節共聚物內HS含量可以調節界面吸附高分子鏈環尺寸(圖1)。研究發現基底對分子鏈運動能力束縛作用的傳遞距離隨吸附分子鏈loop高度增大而增大。吸附分子鏈與上層未吸附鏈間的拓撲相互作用(Topological interaction)是主導界面分子運動能力傳播的主要原因。形成較大loop的吸附分子鏈易于與自由分子鏈形成拓撲纏結或鏈間相互作用,并通過分子運動耦合作用影響界面分子運動能力往外傳播的效率和距離。界面效應傳播途徑的變化改變了吸附層上PS超薄膜Tg,實現了通過精確調控界面結構控制納米受限聚合物玻璃化轉變及分子運動的目的。

    圖1.(a)聚(苯乙烯-r-對羥基苯乙烯)P(S-r-HS)化學結構;(b)界面吸附層厚度(hF)與共聚物內HS含量(fHS)的關系以及不同fHS共聚物所形成吸附鏈構象。

      該研究開創了通過調節界面吸附鏈構象調節界面效應傳遞的方法;揭示了界面吸附分子鏈與自由分子鏈間拓撲相互作用對界面效應傳播的影響,對于深入認識和理解納米受限高分子的動力學偏離本體的物理本質具有重要意義。該工作得到國家自然科學基金(Grants 21504081, 21674100)的資助。此外,該工作與普林斯頓大學化學與生物工程系Priestley教授合作完成,感謝其在論文完成過程中給予的支持。

      論文鏈接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.217801

      課題組主頁:www.chem.zstu.edu.cn/gfzclbjmsys.htm

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    (責任編輯:xu)
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