在平行板受限條件下AB兩嵌段共聚物/納米粒子復(fù)合物自組裝行為的MonteCarlo模擬

王英英, 崔　杰, 韓媛媛, 姜　偉, 孫迎春

(1. 東北師范大學(xué)物理學(xué)院, 長春130024;2. 中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所, 高分子物理與化學(xué)國家重點實驗室, 長春130022)

?

在平行板受限條件下AB兩嵌段共聚物/納米粒子復(fù)合物自組裝行為的MonteCarlo模擬

王英英1,2, 崔杰2, 韓媛媛2, 姜偉2, 孫迎春1

(1. 東北師范大學(xué)物理學(xué)院, 長春130024;2. 中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所, 高分子物理與化學(xué)國家重點實驗室, 長春130022)

摘要采用Monte Carlo模擬方法研究了在平行板受限條件下A15B5非對稱兩嵌段共聚物與納米粒子復(fù)合物的自組裝行為, 其中平行板對多組分嵌段A具有吸引相互作用. 模擬結(jié)果表明, 納米粒子在兩嵌段共聚物/納米粒子復(fù)合物中的體積分數(shù)、 嵌段共聚物不同嵌段與納米粒子間的相互作用均對體系在平行板受限條件下的形貌結(jié)構(gòu)及納米粒子在體系中的分布有重要影響. 當平行板間距一定時, 未添加納米粒子的A15B5非對稱兩嵌段共聚物中的A嵌段被吸附在平行板上形成層狀相, 而B嵌段則在平行板中形成六角堆積穿孔層狀結(jié)構(gòu). 加入與A嵌段不相容而與B嵌段相容的納米粒子后, 增加了納米粒子與B嵌段的相容性, 有利于保持B嵌段所形成的穿孔結(jié)構(gòu)及孔洞尺寸, 同時納米粒子能夠均勻地分散在B相區(qū)中. 當引入的納米粒子與A和B兩嵌段均不相容時, 降低納米粒子與嵌段共聚物的不相容性同樣有利于維持體系的穿孔結(jié)構(gòu). 當納米粒子與AB兩嵌段共聚物間的排斥作用微弱時, 即使含量較高, 納米粒子也不聚集, 并且均勻分布在A相區(qū)與B相區(qū)的交界處.

關(guān)鍵詞嵌段共聚物; 納米粒子; 自組裝; 平行板受限; Monte Carlo模擬

嵌段共聚物/納米粒子(BCP/NP)復(fù)合材料是一種由嵌段共聚物與納米粒子共組裝形成的復(fù)合體[1], 其相行為的研究備受關(guān)注[2～9]. 研究結(jié)果表明, 一方面, 嵌段共聚物的微相分離可以誘導(dǎo)納米粒子在嵌段共聚物微區(qū)中的有序分布[2～5]; 另一方面, 納米粒子也可以改變嵌段共聚物相分離所形成的微區(qū)的取向和形貌[6～9]. 這種協(xié)同作用使BCP/NP復(fù)合材料不僅具備聚合物材料的形貌可控和易加工性及納米粒子獨有的熱、 磁、 光、 電等性質(zhì), 而且還具有一些各組分單獨所不具備的特殊性能, 如自愈合與光電轉(zhuǎn)換等性能[10,11].

在本體中, 嵌段共聚物與納米粒子共組裝可以形成片層、 圓柱、 螺旋及圓環(huán)等[12,13]豐富多樣的結(jié)構(gòu). 但這些結(jié)構(gòu)本身存在的缺陷限制了嵌段共聚物與納米粒子復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用. 為了克服這些缺陷, 需制備長程有序的結(jié)構(gòu), 通常采用流場、 電場、 磁場等外場調(diào)控嵌段共聚物與納米粒子復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)[14]. 此外, 將嵌段共聚物與納米粒子復(fù)合物置于受限條件中成為調(diào)控和優(yōu)化其結(jié)構(gòu)的有效手段[15]. 將嵌段共聚物與納米粒子置于受限環(huán)境中進行共組裝可在克服結(jié)構(gòu)缺陷的同時產(chǎn)生一些在本體條件下無法觀察到的新奇形貌[16～18]. 其中, 平行板受限是最簡單的一維受限條件[19～24].Lee等[23]采用自洽平均場與密度泛函相結(jié)合的方法研究了AB兩嵌段共聚物和納米粒子復(fù)合物受限于2個平行板間的相行為, 研究結(jié)果表明, 納米粒子表面的選擇性對片層結(jié)構(gòu)的取向有決定作用, 當納米粒子表面為中性時, 片層結(jié)構(gòu)垂直于受限的平行板, 當納米粒子表面為非中性時, 片層結(jié)構(gòu)平行于受限的平行板. 陳鵬等[24]采用MonteCarlo模擬方法對BCP/NP復(fù)合物在2個中性平行板之間的相分離行為進行了系統(tǒng)研究, 結(jié)果表明, 納米粒子的體積分數(shù)對組裝體形貌有重要影響, 隨著納米粒子體積分數(shù)的增加, 組裝體的形貌逐漸由層狀變成穿孔層狀, 再變成柱狀, 最后變成球狀.

盡管人們對BCP/NP復(fù)合物在平行板受限條件下的相行為進行了廣泛的研究, 但對影響納米粒子在聚合物微區(qū)中分布的因素還不是十分清楚. 計算機模擬對于考察嵌段共聚物的自組裝行為具有獨特的優(yōu)勢[25～29], 本文采用MonteCarlo模擬方法研究了納米粒子在非對稱兩嵌段共聚物(A15B5)自組裝所形成的微相結(jié)構(gòu)中的分布, 其中平行板的邊界對多組分嵌段A有吸引相互作用, 重點考察了納米粒子與嵌段共聚物2個組分間的相互作用以及納米粒子在兩嵌段共聚物/納米粒子復(fù)合物中所占的體積分數(shù)對體系形貌結(jié)構(gòu)及納米粒子在體系中分布的影響.

1理論模擬

(1)

(2)

式中:ΔE為高分子鏈單元或納米粒子移動前后的能量差;ΔNAB,ΔNANP和ΔNBNP分別為移動前后最近鄰的A組分與B組分、A組分與納米粒子(NP)及B組分與NP之間相互作用對數(shù)的改變; εAB, εANP和εBNP分別為A組分與B組分、A組分與NP及B組分與NP之間的相互作用能.

體系中嵌段共聚物與納米粒子復(fù)合物的體積分數(shù)保持不變(80%), 剩余20%格點為空格. 系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置如下: 平行板邊界對A嵌段有吸引作用, εSA=-2, 對B嵌段無相互作用;A和B兩嵌段之間存在排斥相互作用, εAB=1; 納米粒子與A嵌段和B嵌段間的相互作用(εANP, εBNP)為主要研究對象; 其余相互作用參數(shù)均為0.

通過MonteCarlo模擬方法中的模擬退火方法得到體系的穩(wěn)定結(jié)構(gòu), 退火過程如下: 設(shè)Tj=fTj-1, 其中Tj代表退火到第j步時的溫度, f為標度因子. 系統(tǒng)的退火過程將一直持續(xù)到溫度達到某個預(yù)期值(TF)為止. 模擬中f=0.99, T1=10Tref(Tref為絕對溫度), 當退火步數(shù)為j=400時, 溫度達到預(yù)期值TF=T400. 此后, 保持TF=T400不變, 再運行200個退火步數(shù)使體系中形成的結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定. 在每一退火步數(shù)中, 體系將運行1×104MonteCarlo步(MCS).MCS定義為平均所有的格點進行一次移動需要的時間.

2結(jié)果與討論

在平行板間受限的嵌段共聚物能夠自組裝形成多種形貌各異的結(jié)構(gòu)[24,30]. 通常, 平行板具有選擇性, 即平行板會吸引某一嵌段[19]. 在本文中, 平行板對嵌段共聚物的多組分A嵌段具有吸引作用. 當平行板的間距為0.9L0時,A嵌段被吸附在平行板上形成層狀相, 而B嵌段則在平行板間形成穿孔層狀相, 其中孔的排列呈規(guī)整的六角堆積結(jié)構(gòu). 這與Yu等[30]關(guān)于兩嵌段共聚物在平行板受限條件下自組裝得到的結(jié)果一致. 在這一體系中加入2種納米粒子: (1) 納米粒子與嵌段共聚物中A嵌段不相容(εANP=1), 與B嵌段相容(εANP≤0); (2) 納米粒子與嵌段共聚物的2個嵌段均不相容(εANP=εBNP>0). 本文主要考察納米粒子與嵌段共聚物的作用強度和納米粒子在復(fù)合物中的體積分數(shù)(fNP)對納米粒子在復(fù)合物中的分布及對復(fù)合體系組裝結(jié)構(gòu)的影響.

2.1納米粒子與嵌段共聚物中A嵌段不相容而與B嵌段相容的情形

圖1給出了納米粒子與B嵌段相容性較差(εBNP=0)時體系的形貌結(jié)構(gòu)隨著納米粒子在復(fù)合物中體積分數(shù)(fNP)變化情況. 由圖1可以看出, 當加入的納米粒子含量較少(fNP<0.10)時,B嵌段始終能夠形成六角堆積穿孔層狀結(jié)構(gòu). 當納米粒子的含量增加至fNP=0.10時,B嵌段所形成的六角堆積穿孔層狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)樗慕桥挪即┛讓訝罱Y(jié)構(gòu). 進一步增加體系中納米粒子的含量至fNP=0.15,B嵌段所形成的規(guī)則穿孔結(jié)構(gòu)被破壞, 孔洞的排布不再有序. 此外, 從圖1還可以看出, 當納米粒子的含量fNP≥0.10時, 在B相區(qū)中會發(fā)生明顯的聚集現(xiàn)象.

Fig.1　Self-assembled morphologies of A15B5 diblock copolymers/nanoparticles complex in the case of εANP=1 and εBNP=0 in the confined film with different density of nanoparticles in the complex(fNP) (A0—A4) The top view of the nanoparticles; (B0—B4) the top view of the B blocks and the nanoparticles; (C0—C4) the side view of the whole system.(A0—C0) fNP=0; (A1—C1) fNP=0.03; (A2—C2) fNP=0.07; (A3—C3) fNP=0.10; (A4—C4) fNP=0.15.

將納米粒子與B嵌段的相互作用能提高至εBNP=-1. 圖2給出當εBNP=-1時, 體系的形貌結(jié)構(gòu)隨fNP變化. 從圖2可以看出, 在考察的納米粒子體積分數(shù)范圍內(nèi), 納米粒子可均勻地分散在B相區(qū)中, 并未出現(xiàn)聚集現(xiàn)象, 表明增加納米粒子與嵌段共聚物之間的相容性可以明顯改善納米粒子的團聚現(xiàn)象. 此外, 模擬結(jié)果還表明, 隨著納米粒子體積分數(shù)的增加,B相區(qū)的結(jié)構(gòu)也發(fā)生了明顯的變化. 當納米粒子體積分數(shù)fNP≤0.07時,B嵌段始終能夠形成六角堆積穿孔層狀結(jié)構(gòu); 但當fNP>0.07時, 體系中的孔洞急劇減少直至消失. 這一模擬結(jié)果與Kim等[7]的實驗結(jié)果一致.

Fig.2　Self-assembled morphologies of A15B5 diblock copolymers/nanoparticles complex in the case of εANP=1 and εBNP=-1 in the confined film with different density of nanoparticles in the complex(fNP) (A0—A4) The top view of the nanoparticles; (B0—B4) the top view of the B blocks and the nanoparticles; (C0—C4) the side view of the whole system.(A0—C0) fNP=0; (A1—C1) fNP=0.03; (A2—C2) fNP=0.07; (A3—C3) fNP=0.10; (A4—C4) fNP=0.15.

由圖1和圖2可以看出, 當納米粒子與嵌段共聚物的相容性不同時, 體系會呈現(xiàn)出不同的形貌結(jié)構(gòu). 為了進一步分析納米粒子與嵌段共聚物之間的相容性(εBNP)對體系形貌結(jié)構(gòu)的影響, 本文統(tǒng)計并計算了圖1和圖2中B嵌段所形成的穿孔層狀相中孔洞的數(shù)量與平均尺寸, 結(jié)果列于圖3. 從圖3(A)可以看出, 當納米粒子與嵌段共聚物的相容性較差(εBNP=0)時, 隨著納米粒子體積分數(shù)的增加, 體系中孔洞的孔徑明顯增加, 而孔洞的數(shù)量大幅減小. 若納米粒子與嵌段共聚物的相容性較好(εBNP=-1)[圖3(B)], 當納米粒子體積分數(shù)增加至fNP=0.10時, 雖然孔洞的數(shù)量也呈現(xiàn)下降的趨勢, 但孔徑的尺寸幾乎沒有變化. 進一步增加納米粒子的體積分數(shù)至fNP=0.15時, 孔洞消失. 說明當納米粒子與嵌段共聚物的相容性較好時, 改變體系中納米粒子的含量僅會改變體系中孔洞的數(shù)目而不會改變體系中孔洞的平均尺寸; 當納米粒子與嵌段共聚物的相容性較差時, 體系中孔洞的數(shù)目和尺寸均會隨著納米粒子含量的變化而變化.

Fig.3　Variations of the number and the diameter of the pores in the layers formed by B blocks with fNP(A) εBNP=0; (B)εBNP=-1.

2.2納米粒子與嵌段共聚物中A嵌段和B嵌段均不相容的情形

在嵌段共聚物中引入與A嵌段和B嵌段均不相容的納米粒子, 納米粒子與嵌段共聚物的排斥作用為εANP=εBNP=εNP, 其中εNP>0, 且εNP越大表示納米粒子與嵌段共聚物越不相容. 圖4給出當εNP=1時體系形貌結(jié)構(gòu)隨納米粒子體積分數(shù)變化的情況. 從圖4可以看出, 當納米粒子的體積分數(shù)增加至fNP=0.03時,B嵌段形成的六角堆積穿孔層狀結(jié)構(gòu)已被破壞. 此時, 層狀相中的孔洞呈無規(guī)則排列, 納米粒子幾乎完全從A相區(qū)和B相區(qū)中分離出來, 在A相區(qū)與B相區(qū)的間隙處發(fā)生大規(guī)模的聚集, 導(dǎo)致某些孔洞被填充. 這一現(xiàn)象隨著納米粒子體積分數(shù)的增加變得越發(fā)明顯(圖4中fNP=0.15).

Fig.4　Self-assembled morphologies of A15B5 diblock copolymers/nanoparticles complex with εNP=1 in the confined film with different density of nanoparticles in the complex(fNP) (A0—A4) The top view of the nanoparticles; (B0—B4) the top view of the B blocks and the nanoparticles; (C0—C4) the side view of the whole system.(A0—C0) fNP=0; (A1—C1) fNP=0.03; (A2—C2) fNP=0.07; (A3—C3) fNP=0.10; (A4—C4) fNP=0.15.

為了進一步研究與A嵌段及B嵌段均不相容的納米粒子對體系相行為的影響, 本文統(tǒng)計了在納米粒子含量適中(fNP=0.07)的體系中,A嵌段和B嵌段間的相互作用對數(shù)(NAB)、 納米粒子分別與A嵌段、B嵌段的相互作用對數(shù)(NNPA, NNPB)隨模擬時間(t)演化的曲線[圖5(A)]. 從圖5(A)可以看出, NAB呈下降趨勢直至t=3×106MCS, 說明AB嵌段相分離所形成的結(jié)構(gòu)在t=3×106MCS時形成并趨于穩(wěn)定. 但圖5(A)中NNPA與NNPB下降的速度遠快于NAB下降的速度, 即NNPA與NNPB在t=2×106MCS時就已經(jīng)趨于平衡. 說明體系中的納米粒子在AB兩嵌段共聚物的相分離結(jié)構(gòu)還未形成時就已經(jīng)從嵌段共聚物中分離出來. 在這種情況下, 納米粒子無法以嵌段共聚物相分離所形成的結(jié)構(gòu)為模板進行排布, 因此納米粒子發(fā)生了聚集現(xiàn)象. 為了阻止納米粒子的聚集, 本文將納米粒子與嵌段共聚物間的相互作用能降低, 圖5(B)～(D)給出當εNP=0.1, 0.05以及0.01時體系中各相互作用對數(shù)隨模擬時間演化的曲線. 可以看出, NNPA與NNPB下降的速度均低于NAB下降的速度, 說明降低εNP能夠有效地降低納米粒子從嵌段共聚物中相分離出來的速率. 但由圖5(B)可見, 由于嵌段共聚物與納米粒子間的排斥作用仍然較強(εNP=0.1), 雖然納米粒子與嵌段共聚物的相分離發(fā)生在嵌段共聚物結(jié)構(gòu)形成之后, 隨著模擬時間的增加, 納米粒子仍然發(fā)生聚集. 繼續(xù)降低εNP至0.05, 納米粒子的聚集現(xiàn)象得到了明顯改善[圖5(C)], 但仍有少部分納米粒子發(fā)生了聚集. 當εNP降至0.01時, NNPA與NNPB下降的速度變得非常緩慢, 此時納米粒子能夠均勻地分布在A相區(qū)和B相區(qū)的交界處[圖5(D)]. 值得注意的是, 相比于εNP>0.01的體系, 當εNP=0.1時體系中的六角堆積穿孔層狀結(jié)構(gòu)并沒有被破壞.

Fig.5　Variations of the averaged contact number NAB, NNPB and NNPA with simulation time(t) in the case of fNP=0.07(A) εNP=1; (B) εNP=0.1; (C)εNP=0.05; (D) εNP=0.01. Insets: left, the top views of the nanoparticles; right, the top views of the B blocks and the nanoparticles.

Fig.6　Self-assembled morphologies of A15B5 diblock copolymers/nanoparticles complex with εNP=0.01 in the confined film with different density of nanoparticles in the complex(fNP) The side view(A) and the top view(B) of the nanoparticles; (C) the top view of the B blocks and the nanoparticles; (D) the side view of the whole system.(A1—D1) fNP=0.03; (A2—D2) fNP=0.07; (A3—D3) fNP=0.08; (A4—D4) fNP=0.09; (A5—D5) fNP=0.10; (A6—D6) fNP=0.15.

由圖5可見, 降低εNP能夠明顯減緩納米粒子從嵌段共聚物中相分離出來的速度, 使得納米粒子能夠以嵌段共聚物相分離所形成的結(jié)構(gòu)為模板進行排列并且不會破壞嵌段共聚物原有的相分離結(jié)構(gòu). 在εNP=0.01時還測試了具有不同納米粒子體積分數(shù)的體系, 模擬結(jié)果見圖6. 從圖6可以看出, 在所考察的納米粒子體積分數(shù)范圍中, 納米粒子可均勻地分布在A相區(qū)和B相區(qū)的交界處. 此外, 在納米粒子體積分數(shù)較低(fNP≤0.07)的情況下, 體系均可保持原有的六角堆積穿孔層狀相. 當納米粒子體積分數(shù)較高時(fNP≥0.10), 納米粒子也不會發(fā)生聚集,B嵌段所形成的結(jié)構(gòu)則從穿孔層狀相轉(zhuǎn)變?yōu)閷訝钕?

3結(jié)論

本文通過在嵌段共聚物體系中引入與嵌段共聚物具有不同相互作用的納米粒子來考察納米粒子與嵌段共聚物間的相互作用以及納米粒子的含量對A15B5非對稱兩嵌段共聚物/納米粒子復(fù)合物在平行板受限條件下的自組裝行為. 模擬結(jié)果表明, 當平行板間距一定時, 未添加納米粒子的A15B5非對稱兩嵌段共聚物中的A嵌段被吸附在平行板上形成層狀相, 而B嵌段則在平行板中形成六角堆積穿孔層狀結(jié)構(gòu). 加入與A嵌段不相容且與B嵌段相容的納米粒子后, 增加納米粒子與B嵌段的相容性有利于保持B嵌段所形成的穿孔結(jié)構(gòu)以及孔洞的尺寸, 同時納米粒子能夠均勻地分散在B相區(qū)中. 當引入的納米粒子與A,B兩嵌段均不相容時, 降低納米粒子與嵌段共聚物的不相容性同樣有利于維持體系的穿孔結(jié)構(gòu). 模擬結(jié)果還表明, 當納米粒子與AB兩嵌段共聚物間的排斥作用十分微弱時, 即使納米粒子含量較高, 納米粒子也不發(fā)生聚集, 并且能夠均勻地分布在A相區(qū)和B相區(qū)的交界處.

感謝吉林省計算中心提供的計算資源.

參考文獻

[1]BalazsA.C.,EmrickT.,RussellT.P., Science, 2006, 314, 1107—1110

[2]KimB.J.,FredricksonG.H.,KramerE.J., Macromolecules, 2008, 41, 436—447

[3]ThorkelssonK.,MastroianniA.J.,ErciusP.,XuT., Nano Letters, 2012, 12, 498—504

[4]ThompsonR.B.,GinzburgV.V.,MatsenM.W.,BalazsA.C., Science, 2001, 292, 2469—2472

[5]BuxtonG.A.,BalazsA.C., Physical Review, E, 2003, 67, 031802

[6]ShagolsemL.S.,SommerJ.U., Macromolecules, 2014, 47, 830—839

[7]KimB.J.,ChiuJ.J.,YiG.R.,PineD.J.,KramerE.J., Adv. Mater., 2005, 17, 2618—2622

[8]LinY.,DagaV.K.,AndersonE.R.,GidoS.P.,WatkinsJ.J., J. Am. Chem. Soc., 2011, 133, 6513—6516

[9]KaoJ.,XuT., J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 6356—6365

[10]GuptaS.,ZhangQ.,EmrickT.,BalazsA.C.,RussellT.P., Nature Materials, 2006, 5, 229—233

[11]OrilallM.C.,WiesnerU., Chem. Soc. Rev., 2011, 40, 520—535

[12]YehS.W.,WeiK.H.,SunY.S.,JengU.S.,LiangK.S., Macromolecules, 2005, 38, 6559—6565

[13]SanwariaS.,HorechyyA.,WolfD.,ChuC.Y.,ChenH.L.,FormanekP.,StammM.,SrivastavaR.,NandanB., Angew. Chem. Int. Ed., 2014, 53, 9090—9093

[14]ZhangH.,LiuY.,YaoD.,YangB., Chem. Soc. Rev., 2012, 41, 6066—6088

[15]HuangJ.H.,LiX.Z., Soft Matter, 2012, 8, 5881—5887

[16]RenC.l.,MaY.Q., J. Am. Chem. Soc., 2006, 128, 2733—2737

[17]MaM.,ThomasE.L.,RutledgeG.C., Macromolecules, 2010, 43, 3061—3071

[18]ZhouL.,MaY.Q., J. Phys.: Condens. Matter, 2008, 20, 095006

[19]ShagolsemL.S.,SommerJ.U., Soft Matter, 2012, 8, 11328—11335

[20]ShagolsemL.S.,SommerJ.U., Macromol. Theory Simul., 2011, 20, 329—339

[21]McGarrityE.S.,FrischknechtA.L.,MackayM.E., J. Chem. Phys., 2008, 128, 154904

[22]LeeJ.Y.,ShouZ.Y.,BalazsA.C., Phys. Rev. Lett., 2003, 91, 136103

[23]LeeJ.Y.,ShouZ.Y.,BalazsA.C., Macromolecules, 2003, 36, 7730—7739

[24]WuX.S.,ChenP.,FengX.S.,XiaR.,QianJ.S., Soft Matter, 2013, 9, 5909—5915

[25]LiL.Y.,LiZ.W.,FuC.L.,SunZ.Y.,AnL.J.,SunY.B., Chem. J. Chinese Universities, 2014, 35(5), 1068—1074(李良一, 李占偉, 付翠柳, 孫昭艷, 安立佳, 孫延波. 高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報, 2014, 35(5), 1068—1074)

[26]LiZ.W.,JiaX.X.,ZhangJ.,SunZ.Y.,LvZ.Y., Acta Polymerica Sinica, 2011, 9, 973—984(李占偉, 賈曉溪, 張靜, 孫昭艷, 呂中元. 高分子學(xué)報, 2011, 9, 973—984)

[27]YangY.B.,SunZ.Y.,AnL.J., Acta Polymerica Sinica, 2011, 5, 554—559(楊永彪, 孫昭艷, 安立佳. 高分子學(xué)報, 2011, 5, 554—559)

[28]LiL.Y.,LiZ.W.,FuC.L.,SunZ.Y.,AnL.J., Chem. J. Chinese Universities, 2014, 35(1), 168—174(李良一, 李占偉, 付翠柳, 孫昭艷, 安立佳. 高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報, 2014, 35(1), 168—174)

[29]LiuD.M.,DaiL.J.,DuanX.Z.,ShiT.F.,ZhangH.Z., Chem. J. Chinese Universities, 2015, 36(9), 1752—1758(劉冬梅, 戴利均, 段曉征, 石彤非, 張漢壯. 高等學(xué)校化學(xué)學(xué)報, 2015, 36(9), 1752—1758)

[30]YuB.,LiB.H.,JinQ.H.,DingD.T.,ShiA.C., Soft Matter, 2011, 7, 10227—10240

[31]LarsonR.G., J. Chem. Phys., 1988, 89, 1642—1650

[32]LarsonR.G., J. Chem. Phys., 1989, 91, 2479—2488

[33]JiS.C.,DingJ.D., Langmuir, 2006, 22, 553—559

[34]MetropolisN.,RosenbluthA.W.,RosenbluthM.N.,TellerA.H.,TellerE., J. Chem. Phys., 1953, 21, 1087—1092

(Ed.:W,Z)

?SupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(Nos.21274145, 21474107).

doi:10.7503/cjcu20150868

收稿日期:2015-11-13. 網(wǎng)絡(luò)出版日期: 2016-03-16.

基金項目:國家自然科學(xué)基金(批準號: 21274145, 21474107)資助.

中圖分類號O631; O641

文獻標志碼A

MonteCarloSimulationonSelf-assemblyofABDiblockCopolymers/NanoparticlesComplexConfinedinParallelWalls?

WANGYingying1,2,CUIJie2,HANYuanyuan2*,JIANGWei2,SUNYingchun1*

(1. School of Physics, Northeast Normal University, Changchun 130024, China;2. State Key Laboratory of Polymer Physics and Chemistry, Changchun Institute of Applied Chemistry,Chinese Academy of Sciences, Changchun 130022, China)

AbstractThe self-assembly behavior of the A15B5 asymmetric diblock copolymers/nanoparticles composite confined in parallelwalls which attract A blocks was studied using Monte Carlo simulation. The simulation results indicates that the volume fraction of the nanoparticles in diblock copolymers/nanoparticles composite and the interactions between nanoparticles and each blocks are crucial to the self-assembled structures formed by diblock copolymers/nanoparticles composite and the distribution of nanoparticles. When the distance between the two parallel walls keep constant, A15B5 asymmetric diblock copolymers can self-assemble into parallel layers in which the mid-layer formed by B blocks are hexagonally perforated. When the nanoparticles which are incompatible with blocks A, while compatible with blocks B are added into the system, increasing the attractive interaction between nanoparticles and blocks B can effectively maintain the hexagonally perforated structure and the pore size in the layer. At this time, the nanoparticles are homogenously distributed in the domain formed by blocks B. However, when the nanoparticles which are incompatible with both blocks are added into the system, a decrease in the repulsive interaction between nanoparticles and block copolymers can benefit for maintaining the hexagonally perforated structure. In addition, when the interaction between nanoparticles and block copolymers is rather weak, the nanoparticles cannot aggregate even if the volume fraction of the nanoparticles is very large, and the nanoparticles homogenously disperse in the interface between A and B phases.

KeywordsBlock copolymer; Nanoparticle; Self-assembly; Parallel confinement; Monte Carlo simulation

聯(lián)系人簡介: 孫迎春, 女, 博士, 教授, 主要從事非線性動力學(xué)在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用研究.E-mail:sunyc149@nenu.edu.cn

韓媛媛, 女, 博士, 副研究員, 主要從事嵌段共聚物自組裝行為的研究.E-mail:yyhan@ciac.ac.cn