北理工課題組在液晶嵌段共聚物可控自組裝及應用方面取得研究進展
發布日期：2023-09-21 供稿：材料學院 李霄羽、金碧鑫 攝影：材料學院
編輯：牟雪嬌 審核：程興旺 閱讀次數：
近日，北理工材料學院李霄羽課題組提出了一種基于液晶嵌段共聚物原位成核-生長可控自組裝及其應用的新策略。相關成果以“Controllable One-Step Assembly of Uniform Liquid Crystalline Block Copolymer Cylindrical Micelles via Tailored Nucleation Growth Process and Their Applications as Tougheners”為題，發表于著名期刊Angewandte Chemie-International Edition。材料學院博士生胡玲娟為該論文的第一作者，李霄羽教授和金碧鑫博士為論文的通訊作者。
如何制備尺寸均一且可控的納米結構，尤其是如何通過簡單高效的方法實現對納米結構尺寸的精確控制，在基礎和應用研究方面一直是化學和材料科學領域的熱點和難點之一。然而，通常的精確自組裝方法需要多步驟的組裝過程，包括預先制備具有多分散長度的柱狀膠束、物理破碎成短膠束（種子）和外延生長等過程，這使得制備過程極為復雜，嚴重阻礙了其進一步的應用研究。
鑒于此，北京理工大學的李霄羽教授團隊報道了一種通過控制原位“成核-生長”過程將液晶嵌段共聚物一步組裝形成長度精確可控柱狀膠束的新型精確可控組裝方法。通過調節組裝條件，所得到的柱狀膠束長度可在幾十納米到幾微米之間進行精確控制。作者深入研究了影響成核-生長過程中熱力學和動力學的各種因素，如熱分散溫度、熱分散時間、攪拌速率、濃度和溶劑組成等。研究發現，可以通過調節溶劑環境有效增強或抑制膠束的成核過程，進而產生更短或更長的均一柱狀膠束。利用這種策略，能夠在超過四個數量級的濃度范圍內制備尺寸可控且長度極為均一的柱狀膠束。
利用這種組裝策略，作者在高濃度下批量制備了多種不同長度的柱狀膠束，將其用于增韌有機玻璃（聚甲基丙烯酸甲酯，PMMA）基體材料。實驗結果表明，所有長度的柱狀膠束均顯示出優異的增韌效果。更為有趣的是，作者首次觀察到膠束增韌效果具有顯著的長度依賴性：當膠束摻雜量為2 wt%時，增韌能力最佳的是長度為947 nm的柱狀膠束，可以使得PMMA基體材料的韌性提高至原有值的4.2倍。當膠束的摻雜量為1 wt%和0.5 wt%時，增韌能力最佳的膠束分別為681 nm和305 nm的膠束。與其他增韌劑相比，這種增韌劑只需極少量便可達到極佳的增韌效果，同時摻雜后的PMMA基體材料依然保持有較高的透明性。這一研究結果充分證明了精確自組裝在應用方面的意義。
全文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202310022
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