北理工在液晶嵌段共聚物可控自組裝方面取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2024-05-07 供稿：材料學(xué)院 李霄羽,、金碧鑫 攝影：材料學(xué)院
編輯：牟雪嬌 審核：程興旺 閱讀次數(shù)：
近日,，北京理工大學(xué)材料學(xué)院李霄羽課題組提出了一種基于盤(pán)狀液晶嵌段共聚物可控溶液自組裝的新策略,。相關(guān)成果以“Convoluted Micellar Morphological Transitions Driven by Tailorable Mesogenic Ordering Effect from Discotic Mesogen-Containing Block Copolymer”為題，發(fā)表于著名期刊Nature Communications。材料學(xué)院博士生楊煥志為該論文的第一作者，李霄羽教授和青年教師金碧鑫為論文的通訊作者,。
為了深入理解自然系統(tǒng)中自發(fā)的多模態(tài)多階段組裝行為，利用人工體系對(duì)其模擬和復(fù)現(xiàn)至關(guān)重要,。其中的關(guān)鍵點(diǎn)在于如何在同一組裝體系中得到多個(gè)亞穩(wěn)態(tài)組裝結(jié)構(gòu),。具有側(cè)鏈基團(tuán)的嵌段共聚物將功能性基團(tuán)和線性鏈狀分子結(jié)構(gòu)相結(jié)合，是研究分子水平的結(jié)構(gòu)變化如何影響大分子組裝形貌的理想模型,。在絕大多數(shù)嵌段共聚物組裝體系當(dāng)中,，組裝驅(qū)動(dòng)力通常過(guò)強(qiáng)，導(dǎo)致直接形成了熱力學(xué)穩(wěn)定的膠束結(jié)構(gòu),，難以發(fā)現(xiàn)組裝過(guò)程中的一些微妙轉(zhuǎn)變,，無(wú)法模擬自然系統(tǒng)復(fù)雜的自組裝過(guò)程。因而,，如何構(gòu)建具有類(lèi)似自然界中的組裝體系,，利用不同相互作用達(dá)到微妙的近似平衡,，實(shí)現(xiàn)多膠束形貌轉(zhuǎn)變,，仍然具有巨大的挑戰(zhàn)。
鑒于此,，李霄羽教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)和合成了基于苯并菲盤(pán)狀液晶基元的側(cè)鏈型液晶嵌段共聚物,，發(fā)現(xiàn)其自組裝過(guò)程中，由于苯并菲盤(pán)狀液晶規(guī)整能力較弱,，在膠束化過(guò)程初期有序性較低,，而之后會(huì)緩慢提高，并驅(qū)動(dòng)膠束內(nèi)分子鏈運(yùn)動(dòng)重排,，使得膠束形貌發(fā)生多次轉(zhuǎn)變,。而另一方面，如果通過(guò)摻雜的方法提高其液晶規(guī)整性,，可以使其迅速達(dá)到熱力學(xué)平衡狀態(tài),，同時(shí)組裝過(guò)程由膠束內(nèi)分子鏈重排轉(zhuǎn)變?yōu)槌珊?生長(zhǎng)的機(jī)制，為其可控組裝提供了可能,。
具體而言,，該嵌段共聚物在溶液組裝過(guò)程中由于其液晶規(guī)整化作用較弱，導(dǎo)致自組裝過(guò)程中經(jīng)歷了連續(xù)而復(fù)雜的形貌轉(zhuǎn)變,。隨時(shí)間推移,，通過(guò)分子內(nèi)鏈重排機(jī)制，依次得到包括小球、蠕蟲(chóng)狀,、管狀,、囊泡結(jié)構(gòu)、“水母狀”結(jié)構(gòu)以及纖維結(jié)構(gòu)等多種形貌組裝體,。在進(jìn)一步的研究中,，通過(guò)加入摻雜劑與苯并菲側(cè)基形成電荷轉(zhuǎn)移絡(luò)合物，提高其液晶規(guī)整化作用,，進(jìn)而調(diào)控受體小分子摻雜比例,，極大地加速了其組裝過(guò)程，直接得到了多種不同特殊形貌的熱力學(xué)穩(wěn)定組裝結(jié)構(gòu)（諸如梭形囊泡,、彎曲帶狀結(jié)構(gòu),、纖維等）。
尤其是當(dāng)摻雜比例為 r = 1時(shí),，嵌段共聚物與摻雜小分子共組裝形成規(guī)整度更高,、剛性更大的纖維結(jié)構(gòu)。對(duì)其組裝過(guò)程進(jìn)行深入研究發(fā)現(xiàn),，其摻雜后的嵌段共聚物組裝行為由分子內(nèi)鏈重排轉(zhuǎn)變?yōu)槌珊?生長(zhǎng)機(jī)理,。基于該組裝機(jī)理,，成功在此組裝體系中實(shí)現(xiàn)溫度誘導(dǎo)的“自成核”組裝過(guò)程,，可以在較寬的長(zhǎng)度范圍內(nèi)精確控制纖維長(zhǎng)度，首次證明了“液晶驅(qū)動(dòng)活性自組裝”在盤(pán)狀液晶體系中的可行性,。
該項(xiàng)研究利用引入較弱的盤(pán)狀液晶規(guī)整化作用作為驅(qū)動(dòng)力,，首次在同一種人工組裝體系中實(shí)現(xiàn)了多次形貌轉(zhuǎn)變，并通過(guò)調(diào)控規(guī)整化作用強(qiáng)度,，實(shí)現(xiàn)了組裝機(jī)制的變化,，揭示了弱驅(qū)動(dòng)力組裝體系的豐富可能性，可以很好的模擬生命有機(jī)體的多模態(tài)自組裝過(guò)程,，為復(fù)雜組裝行為的相關(guān)研究奠定基礎(chǔ),。
全文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-47312-6
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