研究人员发现了嵌段共聚物中的新相

作者：James Badham, 加利福尼亚大学圣巴巴拉分校

所有物质由一个或多个相空间区域组成，具有均匀的结构和物理性质。 H2O（固体，液体和气体）的常见相，也称为冰，水和蒸汽，是众所周知的。类似地，尽管不太熟悉，但聚合物材料也可形成不同的固相或液相，这决定了它们的性质和最终效用。对于嵌段共聚物尤其如此，当一种类型的聚合物链（“嵌段A”）与不同类型的聚合物链（“嵌段B”）化学连接时产生的自组装大分子。

“如果你想要一种具有某种特性的嵌段共聚物，那么你可以选择适合特定应用的合适阶段，”加州大学圣塔芭芭拉分校工程学院材料助理教授Chris Bates解释说。 “对于鞋子中的橡胶，你需要一个阶段；制作一个膜，你想要一个不同的。”

在最简单的嵌段共聚物中仅发现了约五相。寻找新阶段的情况很少见，但Bates和其他加州大学圣塔芭芭拉分校的研究人员包括教授Glenn Fredrickson（化学工程）和Craig Hawker（材料），Morgan Bates，UCSB陶氏材料研究所的科技助理兼技术助理主任和博士后研究员Joshua Lequieu就是这样做的。

他们的研究结果发表在“美国国家科学院院刊”上。

大约12个月前，Morgan Bates正在对她在实验室合成的聚合物进行一些实验性研究，她说，“通过研究调整块时会发生什么，了解控制嵌段共聚物自组装的基本参数”。化学。”

根据Chris Bates的说法，“A”和“B”块的化学反应无穷无尽。 “现代合成化学使我们基本上可以选择任何类型的A聚合物并将其与不同的B块连接起来，”他说。 “鉴于这个巨大的设计空间，真正的挑战是找出最关键的旋钮来转动控制自组装。”

摩根贝茨试图理解化学和结构之间的关系。

“我已经化学调整了一个与所谓'构象不对称'相关的参数，它描述了两个块如何填充空间，”她回忆起导致这一发现的过程。 “我们并不一定试图找到一个新的阶段，但认为我们可能会发现一些新的行为。在这种情况下，共价绑定在一起的A和B块填充空间的方式非常不同，这似乎是潜在的这个参数引起了一些独特的自组装。“

在创建嵌段共聚物后，她将它们带到伊利诺伊州阿贡国家实验室的高级光子源，在那里使用一种称为“小角度X射线散射”的技术来表征它们。该过程产生以同心环排列的散射X射线的二维特征。环的相对位置和强度表示特定的相。摩根需要前往国家实验室，因为这个过程要求X射线比在校园生产的X射线更强大。

在那项工作之后，克里斯贝茨说，“利用晶体学知识，你可以解释散射数据，并产生一个图像，好像你用眼睛看着结构。在这种情况下，数据质量如此之高，我们能够毫不含糊地做到这一点。“

摩根贝茨回忆说，当她检查X光图案时，有一件事是明确无误的：“看起来不一样。我想，'这是什么？'”

当然，这是他们新发现的阶段，即A15。 “使用这些类型的AB嵌段共聚物，人们之前只观察过一些阶段，我们发现了另一个阶段，从设计的角度来看，它增加了可能的选项，”克里斯说。

“在对结构进行分类的方法中，这个阶段属于一个被称为”四面体密集“的阶段，”Lequieu补充道，他是计算机模拟专家，负责模拟聚合物的相行为。 “我们在嵌段共聚物中发现的相实际上是在1931年首次用钨的同素异形体[或形式]观察到的。但在这种情况下，A15由金属原子形成，在原子长度范围内形成非常小的结构。嵌段共聚物采用相同的结构，但长度比两个数量级大，当然，不涉及金属原子。

“如果你用显微镜看两者，”他继续道，“它们的结构看起来是一样的，但只是尺寸不同。自然界选择使用相同的结构图案来完全不同的材料，具有完全不相关的化学成分，这是非常有趣的。物理。”

该项目展示了加州大学圣巴巴拉分校研究人员之间合作的便利性和可行性。它始于豪客和贝茨开发的新化学，以调整材料的性质，随后是摩根的意外表征结果。 “从那里开始，我们去了约什并且告诉他实验中有些奇怪的东西，我们没想到，并问他为什么，”克里斯贝茨说。 Lequieu随后与Fredrickson合作开发计算机模拟。

“这个项目来回有一个非常好的，”Lequieu说。 “完成了一项难以理解的实验，因此我们进行了模拟来解释它。然后Morgan做了更多的实验，通过初始模拟的结果，并观察到计算实际上是预测性的。实验观察到的阶段显示正确模拟说它们会在哪里。但是在某些地方，实验和模拟不一致，所以我们多次迭代以改进模型并真正理解所涉及的微妙之处。“

“向前迈进，”Chris Bates补充道，“我们的团队继续将材料合成和理论整合在一起寻找更独特的相位行为。”

Lequieu描述了从实验到模拟再到理论的反馈循环，并将其作为“现代材料科学的梦想”。摩根制作这些样本需要做很多工作。如果有人在计算机上预测结果并且可以做得更容易比方说，'这是合成聚合物的一个子集应该形成所需的结构。'这种所谓的“逆向设计”方法为她节省了大量的时间和精力。“

就性质而言，对于其他不相关材料的优选设计而言，有一点历史值得注意。 1887年，凯尔文勋爵（他是绝对温度的同名单位）正致力于后来被称为“开尔文问题”。这是为了确定如何将空间划分为等体积的单元格，并且它们之间的表面积最小。他提出的解决方案，表明最有效的泡沫泡沫，被称为“开尔文结构”。

它持有了大约一百年，但在1994年被证明是不正确的。凯尔文选择了所谓的“结构A”，但英国科学家团队表示“结构B”更好。从那时起，结构B在科学界甚至更远的地方声名鹊起，例如以巨型气泡的形式出现，作为2008年北京国家游泳中心屋顶的功能性建筑元素和设计元素。奥运会。

事实证明，研究人员在这个项目A15中发现的新阶段是结构B，再次证实大自然喜欢以前成功的设计。

More information: Morgan W. Bates et al. Stability of the A15 phase in diblock copolymer melts, Proceedings of the National Academy of Sciences (2019). DOI: 10.1073/pnas.1900121116

Journal information: Proceedings of the National Academy of Sciences

原文链接：https://phys.org/news/2019-07-phase-block-copolymers.html

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