基于X射线散射技术的新型杂化软物质材料的自组装研究

As the frontier in soft matter research, a new materials by design strategy has been developed based on the so-called novel 'giant molecules from ''nano atom'. Under this strategy, material genome concept is used as the major guidance while 'functional units' and 'structural units' are used as building blocks for the design and construction of novel advanced materials with various structures and functionalities. However, the studies of these novel hybrid soft matter in solutions, bulk state, and thin film is rare, significantly limiting the progress of the synthesis and commercialization of giant molecules. Herein, we propose to study the structures of hybrid soft matter from packing of atoms to phase structure and micro-structures using small angle x-ray scattering and initiate their structure-properties relationships. The high throughput X-ray source and in situ sample environment of Shanghai Photon Source will be applied to explore the solution behaviors of hybrid soft matter in order to facilitate the controllable synthesis of giant molecules. The self-assembly behavior and the resulted phase structures will be studied across multiple length scales will be studied based on broad scattering vector range and the detectors with high precision. The ultimate goal is to achieve controlled phase structures and nano patterning for the development of photonic crystals and nano etch technology.

作为软物质材料研究的前沿，基于“纳米原子的”新型杂化“巨型分子”的概念，以“材料基因组学”为指导思想，以包括“功能子”和“结构子”的“基因子”为构造模块，来设计和构建具有多样化结构与功能的新型材料体系，成为材料设计新思路。然而，此类杂化软物质材料在溶液、本体、薄膜中的结构和组装动力学的并不清楚，限制了巨型分子合成化学、产业化的发展。本项目将以X光散射为主结合其他表征技术深入软物质先进杂化材料研究中从原子排列到相态及微组织的形成到材料宏观性能与使用之间的相互关系。在这类材料的溶液研究中，将借助上海光源的高亮度特性和原位研究的样品环境实现对分子簇生长机理和自组装行为的研究，为实现巨型分子可控合成打下基础。将充分利用上海光源高精度探测器和宽屏的散射适量范围，来建立杂化巨型分子材料的在本体和薄膜材料中的自组装规律，实现其相结构和图案化的可调控性，为发展光子晶体和纳米蚀刻技术奠定基础。

本项目针对复杂软物质材料的结构、功能与物性等典型科学问题，提出利用大科学装置小角X射线散射技术解析其多尺度结构并进一步结合原位样品环境研究制备、加工和服役过程中材料的动态结构演化过程，反馈材料设计理论。杂化软物质材料是以具备明确结构和广泛功能的纳米原子基元通过精准的共价连接和超分子组装而构筑的。本项目发展与线站相匹配的样品环境，建立并完善利用上海光源小角线站表征杂化软物质材料溶液、本体和薄膜样品的系统性实验方法和数据分析方案，揭示具备不同拓扑结构的杂化软物质材料的溶液、本体和薄膜状态中的多级结构和自组装行为。基于团队在精准合成、原位表征和结构解析的多方向协作，本项目通过定向设计得到了多个软物质体系非常规结构，甚至是罕见结构，如Frank-Kasper Z和十重准晶相。引入软物质合金概念，通过调控不同巨型分子的共混，实现多种Frank-Kasper和准Frank-Kasper相结构的高效、精准调控；基于不同尺度的单分子团簇，通过改变“超分子原子”的体积比，得到了一系列可调控的Frank-Kasper合金结构，包括罕见的稳态Laves相、MgCu2、MgZn2、AlB2、NaZn13、和CaCu5等新颖的超晶格相结构；设计和合成了五重对称的巨型分子，自组装形成了在软物质体系中首次发现的Frank-Kasper mu相 和 phi 相；发展了一种本体原位交联的策略，实现了利用“巨型分子”自组装和原位热交联合成多臂星形聚合物纳米粒子，可用于可控构筑高分子中的复杂微结构。本项目基于自组装和结构演化机制，结合材料离子传输和气体分离等功能的宏观数据，建立材料构效关系，指导下一代无水质子导体研发。与此同时，项目团队建立了在薄膜中快速、高效地控制杂化巨型分子自组装长程有序结构和取向的方法，发展了一种控制“杂化巨型分子”形成高度有序自组装的工艺，可用于实现高精度的“非光刻纳米图案化”，验证了其作为极限尺度的纳米图案化的可行性。