高分子溶液拥挤转变行为的研究

Rearch on jamming transition of disordered systems provides us a new insight to solve the fundamental, long-pending question in condensed matter physics - the glass transition. So far, studies on jamming transition mainly focus on the atom-like systems, such as granular media, colloidal suspensions, but few of them are based on real polymer system. While polymer solution provides us an ideal system to study the jamming transition of soft matter. In this proposal, by taking polymer solution as the research object, we plan to systematically study the jammed state and jamming transition of real polymer systems based on rheology methods. The intrinsic parameters of jamming transition, such as packing density, applied shear stress and temperature, will be systematically studied. Meanwhile, the typical properties of polymers, such as the entanglement density, coil size and molecular weight, will also influence the state and dynamics during jamming transition. By taking all these factors into consideration, we expect to construct a general phase diagram of polymer solution systems. Also, the differences between polymer solution and atom-like systems during jamming transition will be illustrated. By dynamic and steady shearing experiments, we hope to study the universal scaling behavior during jamming transition of polymer solutions, and to understand the nature of jamming and glass transition.

对非晶物质拥挤转变的研究为凝聚态物理中悬而未决已久的基本问题-非晶"液固"转变提出了全新的理解。对于拥挤转变的研究目前主要以颗粒物质、胶体体系等类原子系统为主，鲜有对真实高分子链复杂体系拥挤转变的研究。而高分子溶液为研究软物质的拥挤转变提供了理想的对象。本项目拟以高分子溶液为研究体系，通过流变学实验方法对真实高分子体系的拥挤状态和拥挤转变进行系统研究，分别考察高分子链堆积密度、剪切应力和温度等影响拥挤体系的共性参数对于体系状态和拥挤转变附近体系动力学行为的影响；同时将研究高分子体系特有的中链缠结状态、线团尺寸、分子量等属性对于拥挤转变行为的影响，以得到高分子溶液拥挤转变的一般规律，构建高分子溶液体系普适的拥挤相图，比较高分子与类原子体系拥挤转变的异同。通过流变学动态及稳态剪切实验考察高分子溶液体系在拥挤转变区域附近的普适标度规律，进一步揭示其拥挤转变的本质。

非晶物质的“液固”转变问题一直以来都是凝聚态物理领域的重要挑战，而拥挤转变理论对这一过程的机理做出了全新的诠释。对于拥挤转变行为，有三个因素共同影响了其所处的状态，即温度、应力和堆积密度。温度和外加应力对于高分子链的影响已经被广泛研究，但是由温度变化产生的热应力对高分子链动力学行为的影响则很少被报道，而这一影响与微电子器件工艺却息息相关。通过对孔道受限过程中高分子本体动力学行为研究，我们发现，复合体系制备过程中产生的热应力可能会大于高分子本体的屈服应力，这必然对高分子链有着巨大的影响。此过程产生的热应力强弱与高分子链的松弛行为直接相关，而热应力又很大程度地改变了孔道中受限的高分子的动力学行为，从而导致高分子出现两重甚至多重玻璃化转变温度这一奇特现象。我们通过多步应变-应力松弛模型计算在此过程中热应力尺度与降温速率的关系，并成功这一模型解释了实验中出现的多重玻璃化转变行为出现与否的根源。热应力的存在倾向于将高分子链剥离受限的孔道壁，同时应力也导致高分子发生拥挤转变，从而改变其玻璃化转变行为。而当基底换成刚性高分子材料时，则会出现扩散行为。我们选定聚苯乙烯和聚苯醚体系，研究了二者在高温下的运动性及分子链的相容过程及相互扩散过程中的动态行为。结果表明，扩散过程中原本为PS相的组分含量与扩散时间的对数满足波尔兹曼关系，不同温度下的PS组分含量曲线可以进行室温叠加得到一条扩散主曲线，我们提出一种核壳模型，计算得到扩散过程中前沿深度与扩散时间的平方根呈线性关系，表明这两种高分子的扩散机理属于Fickean机理。以上理论研究，对于当前的电子领域有重要的作用。很多微电子器件都会使用到纳微米尺度的高分子材料与无机材料复合和粘接，在制备和使用过程中，二者的匹配性，特别是高分子材料的老化、松弛特性，决定了器件的功能、良率和老化性能。通过本项目的开展，能够更好地指导电子器件材料的制备工艺。