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接枝纳米粒子调控的嵌段共聚物自组装行为研究

中文摘要

嵌段共聚物是软物质研究领域最重要的材料之一，纳米尺度可以自组装形成许多

新颖的结构，已经成为了高分子研究领域最重要的研究方向之一。将纳米粒子添加到

嵌段聚合物中可以得到各种各样有趣的结构，对新兴材料的调控和设计有着十分重要

的价值。在受限体系下，嵌段共聚物和纳米粒子的共组装会形成形式多样的形貌，改

变受限界面的属性，能更加有效的影响该混合体系的自组装行为，对于新型微加工技

术、设计新奇的纳米材料、制造新的微观结构都有着良好的促进作用。

本文用实空间数值求解自洽场方程组，研究了两嵌段共聚物与接枝均聚物纳米粒

子在硬受限下的自组装相行为、两嵌段共聚物在接枝均聚物纳米粒子点阵结构中的自

组装混合体系，详细讨论了嵌段共聚物对称度、受限程度、板的性质等因素对体系相

行为的影响。本文的主要内容包括：

首先详细介绍了软物质与新型材料、高分子聚合物、聚合物/纳米粒子受限类型以

及本工作主要使用的研究方法，对自洽场方法进行了简要的说明，并且详细介绍了自

洽场方法中常用到的几种模型，及其数值求解方法。

第二章研究了AB两嵌段共聚物与接枝均聚物纳米粒子混合体系在硬受限下的自

组装行为。结果发现随着受限程度和板性质的变化，体系发生了多次结构转变。当AB

两嵌段共聚物对称==0.5时，在体系受限较小70≤≤120情况下，无论板

2

的性质如何变化，体系均会形成波浪层状、平行层状混合结构。当受限程度增大40≤

≤60时，在中性板中，体系会逐渐自组装形成同心圆环结构；在A吸引板中，体系

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会逐渐形成柱状结构与平行层状混合结构；在B吸引板中，体系会自组装形成带状、层

状以及同心圆环结构。当受限程度较大20≤≤30时，在中性板和A吸引板中，体

2

系最终转变为垂直层状结构；在B吸引板中，体系自组装成平行层状结构。同时还探讨

了熵效应对体系结构形成的影响。

第三章研究了两嵌段共聚物在接枝均聚物纳米粒子点阵结构中的自组装行为。体系

设定两种点阵结构，分别为横纵交叉结构和菱形结构。发现，在横纵交叉纳米粒子点

I

阵结构中，当AB嵌段对称==0.5且接枝物浓度在0.03≤≤0.05之间

时，中心纳米粒子周围的A组分会自组装形成八边形结构，其余3个纳米粒子周围会

形成六边形结构，在横纵交叉纳米粒子整体周围会形成“四叶草”结构，其余部分会

形成规整的层状结构。随着均聚物刷浓度的降低0.01≤≤0.02，中心纳米粒子处

的八边形结构会转变为四边形结构，其余3个纳米粒子周围依旧形成六边形结构，并

且四叶草结构在内部会进行连接。在菱形纳米粒子点阵结构中，当AB组分对称

0.45≤≤0.5且接枝物浓度在0.04≤≤0.05之间时，在纳米粒子周围均聚物刷

会调控A组分形成环形结构，菱形纳米粒子周围会形成“四叶草”结构，其余部分形

成层状结构，在纳米粒子中间区域会形成方形结构。随着均聚物刷浓度的降低0.01≤

≤0.03，“四叶草”结构内部会逐渐连接起来，最终与方形结构相连，并且体系中

心形成的方形结构中会形成柱状结构，使得到的形貌图会更加对称规整。

最后，概括了本论文工作得到的结论，并对后续工作进行了展望。

关键词：嵌段共聚物；纳米粒子；硬受限；实空间方法；自洽平均场理论

II

Self-assemblyBehaviorofBlockCopolymersRegulatedby

GraftedNanoparticles

ABSTRACT

Blockcopolymerisoneofthemostimportantmaterialsinthefieldofsoftmatter

research,andthenanoscalecanself-a