受限填充二嵌段共聚物的微结构和光学性质

纳米颗粒填充嵌段共聚物不但能影响嵌段共聚物的有序空间微结构，而且能调节这些微结构的光子带隙位置和宽度，是一种制造光子晶体材料的新方法。本项目拟通过设置薄膜和球形空间受限环境，研究纳米颗粒填充二嵌段共聚物的微结构及其光子带隙。一方面，采用自洽场/密度泛函理论模拟方法来研究受限环境参数(受限尺寸和表面场强度等)和填充颗粒参数(颗粒浓度、半径和表面场强度等)对具有不同聚合物参数的二嵌段共聚物薄膜和纳米球内部微结构的诱导作用；另一方面，通过改变二嵌段共聚物和填充颗粒的介电常数，采用有限差分时域方法来计算和分析这些薄膜和球形光子晶体的光子带隙位置和宽度。研究成果将有助于人们深入理解受限环境下纳米颗粒和嵌段共聚物协同自组装微结构的形成机制，并对基于嵌段共聚物的光子晶体薄膜材料和球形传感器的设计和制造提供有意义的理论预测和参考。

纳米球和纳米柱填充嵌段共聚物由于空间受限效应的考虑，能有效地改变纳米球和嵌段共聚物微结构，并能获得有用光学性质，从而具有重要的科学意义。采用自洽场理论模拟方法对纳米球和纳米棒填充二嵌段共聚物的微结构，以及三嵌段共聚物纳米球的微结构进行了研究，再用有限时域差分法对这些微结构的光学性质进行了研究。首先，在纳米球填充二嵌段共聚物方面，对二嵌段共聚物和纳米球内部的微结构及其光学性质进行了研究。通过选取层状结构的二嵌段共聚物，改变填充纳米球半径大小和纳米球表面场强度，获取了一系列的连续的二嵌段共聚物的微结构，这些微结构强烈依赖于纳米球表面场强度的大小；通过观察自由能的变化，获得了这些结构之间的相互转变规律；采用有限时域差分法，研究了不同颗粒填充二嵌段共聚物的微结构的光学性能。通过选取不同的二嵌段共聚物的Flory-Huggins参数和体积分数，获得了一系列的纳米球的内部微结构；分析这些微结构的自由能，研究了它们之间的转变规律，并构建了相应的相图；通过改变纳米球表面吸附场的强度，对纳米球的内部自组装微结构进行了研究，随着吸附场强度的增强，发现纳米球内部的柱状结构倾向于形成同心圆状结构，而且不论是同心圆还是柱状结构，这些结构均呈现多层次的构造。其次，对于纳米棒填充二嵌段共聚物方面，对二嵌段共聚物和纳米棒内部微结构进行了研究。选取层状结构的二嵌段共聚物并填充纳米棒，通过改变纳米棒的表面场强度和半径大小，获得了一系列的新颖的连续结构，并通过分析它们的自由能，确定了它们的转变属于一级相变；采用有限差分时域法，对这些所获得微结构的光学性质进行了研究。同时，对复杂的线型三嵌段和星型三嵌段纳米球和纳米棒的内部微结构也进行了深入的研究。通过选取合适的Flory-Huggins参数，通过改变体积参数，对线型三嵌段共聚物的纳米柱内部结构进行了系统的分析和观测，构建了相应三角相图，通过分析三角相图获得了微结构的分布规律。对于星型三嵌段纳米球的内部微结构，选取合适的聚合物参数，发现了一系列的环状结构，并且构建了三角相图，这些环状结构在相图中呈现出一定的分布规律性。资助期间，发表论文Soft Matter 1篇，Langmuir 1篇，J.Chem.Phys. 1篇，Polymer 2篇，J.Appl.Polym.Sci. 1篇，其他SCI论文3篇。