利用电子衍射研究聚合物在圆柱受限下分子自组装

It has been recognized that the molecular arrangement and orientation in polymers plays a key role when they are applied to the electric, biological and energetic nano-device. A lot of research have demonstrated the confined crystallization of polymers within different dimensions on a nanoscale. One-dimensional confinement of polymers usually refers to polymers in a thin film on a substrate. Two-dimensional confinement (cylindrical confinement) in polymers includes eletrospun fibers, nanorods formed by cylindrical pore of anodic aluminum oxide (AAO) template, or nanoimprinted trenches. Three-dimensional confinement of polymers is related to polymer nanoparticles. . In this research proposal, we focus on the molecular arrangement of polymers under cylindrical confinement within nanoporous alumina.Polymers could be infiltrated into nanopores through capiliary force and polymer nanorods are released after the template is dissovled into KOH.. The crystal orientations of nanomaterials under cylindrical confinement is normally characterized by wide-angle X-ray diffraction(WAXD) in symmetrical reflection geometry and polarized Fourier transform infrared (FTIR)–ATR(attenuated total reflection) spectroscopy. WAXD and FTIR–ATR could be directly applied to polymer nanorods within the AAO template to investigate the crystal orientation of polymer nanorods..For the first time, we use the TEM–SAED technique to investigate the molecular arrangement in polymer nanorods. In contrast to using WAXD and FTIR–ATR to obtain statistically information based on a group of nanorods within the AAO template, the significant advantage of the TEM–SAED techniques is able to localize the electron beam to detect the morphology and structure of different individual nanorods. The application of TEM–SAED and WAXD in symmetrical reflection mode to polymer nanorods may open the door to study the polymer crystallography, thermodynamics and kinetics under cylindrical confinement.

众所周知，聚合物分子排列和取向对其在电子、生物和能源相关纳米器件中有巨大潜在应用。聚合物不同维度上受限结晶研究被广泛报道。聚合物在薄膜生长被称为一维受限；聚合物在纳米圆柱孔洞中生长被定义为二维受限；而聚合物在球状粒子中生长则被认为三维受限。本项目集中研究聚合物在二维受限下（圆柱生长）的分子自组装。圆柱受限通过阳极氧化铝模板法实现，聚合物通过毛细孔力吸入模板孔洞形成纳米棒(模板用KOH溶解后得到纳米棒)。传统研究聚合物圆柱受限的仪器为带有对称反射模式X-ray衍射仪和全反射模式傅里叶变换红外光谱，这些设备优势在于直接测量并给出宏观上多根纳米棒取向，可却不能聚焦于单根纳米棒逐个研究。为了更精准研究聚合物圆柱受限下分子自组装，本研究方案提出利用透射电子显微镜选区电子衍射和带有对称反射模式的X-ray衍射仪器，深入研究不同聚合物在圆柱受限下聚合物结晶学和热力学、动力学之间关系。

众所周知，聚合物分子排列和取向对其在电子、生物、能源相关纳米器件中有巨大潜在应用。聚合物在纳米尺度内不同维度的受限研究被广泛报道。聚合物在薄膜中生长被认为是一维受限；聚合物在纳米圆柱孔洞中生长被定义为二维受限；而聚合物在球状粒子中生长则被定义为三维受限。过去十年中，聚合物在软或硬圆柱下受限结晶得到广泛研究。 因为物理学对称性破坏，嵌段共聚物在圆柱受限下相分离产生了许多有趣现象。在聚合物圆柱受限中，过去研究主要集中在聚合物结晶成核机理和动力学研究。在圆柱受限下，均相成核为聚合物结晶主要成核方式，同时聚合物球晶分叉生长受到了抑制。等规聚丙烯（isotactic polypropylene，i-PP)在阳极氧化铝模板（AAO)的纳米孔洞中结晶时，当孔洞直径从300纳米减小到65纳米时，等规聚丙烯结晶成核机理从以异相成核为主逐渐转变成由均相成核为主。另一方面，关于聚合物受限的结晶取向有一些X射线的相关报道，但是因为实验手段的挑战性和样品制备复杂性，关于聚合物在圆柱受限下分子排列和取向研究较少，因此本项目主要集中研究在聚合物在圆柱受限下分子自组装。. 对于常见的二维广角X射线测试（长或宽为400微米的光束尺寸），结果将合并超过10,000个纳米结构实体的衍射信号，从而提供整体纳米结构。 为了完全解决聚合物纳米棒的混合二维WAXD模式，我们结合了选定区域透射电子显微镜（TEM）技术的电子衍射（SAED）获得单独一根的电子衍射。过去，电子晶体学分析已被广泛用于在高分子物理学中探索单晶的链堆积。最近，对TEM的一些研究聚合物纳米材料上的SAED已照亮了纳米级的链堆积。本项目探索出利用X射线和电子衍射结果进行交叉分析，以研究复杂聚合物分子链在圆柱约束下受限分子组装。