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宁波大学徐玉赐教授课题组 Macromolecules: 多组分体系下的单链构象转变
2024-02-21  来源:高分子科技

  高分子单链构象转变是整个高分子科学的核心,几乎所有的高分子材料的物理性质都是高分子链构象的体现。在单组分溶剂中,高分子单链构象转变研究的比较清楚。而在多组分体系中,由于体系复杂,相互作用参数多,人们对多组分下的单链构象转变还不是十分清楚;另一方面,许多实验现象都与多组分体系下的单链构象转变相关,如DNA、蛋白的沉降、聚合物的结晶以及凝胶网络的榻缩。因此多组分体系下单链构象转变的研究不论是在理论模型上还是在实际应用中都具有重要的意义。



  近日,宁波大学徐玉赐教授课题组发展了描述多组分体系下单链构象转变的解析理论(包括Lifshitz理论及强分凝理论)以及数值的自洽场理论,研究了单链高分子在小分子及高分子溶剂下的单链构象转变(其中两种溶剂具有相同的化学组分)。发现了聚合物在混合溶剂的线团到小球转变可以分为两步:一步是由高分子溶剂引起,另外一步则是有小分子溶剂引起(如图1)。通过计算分别得到了两步转变点与混合溶剂中高分子溶剂组分χp以及链长的依赖关系。具体如下: 


1:混合溶剂中两步的线团到小球转变。


  根据高分子单链在小分子溶剂中Lifshitz理论,高分子线团到小球的转变点为,而高分子溶剂中的转变点为,因此在同种化学组分的小分子与高分子的混合溶剂中,单链的线团到小球转变可以分为两步;低的转变点是由高分子溶剂引起的,而由小分子溶剂引起的转变会是一个更高的χtr基于以上的理论分析,首先利用自洽场理论,计算多组分体系中单链核心浓度随着χ的变化,如图2所示,而根据核心浓度的斜率变化,可以看到有两个地方核心浓度发生突变,也预示着两步的线团到小球转变。


2.核心浓度随混合溶液中高分子溶剂浓度比例χp的变化。


  确定了这两步转变之后,接下来分别讨论溶剂组分、链长对两步转变点的影响,首先在短链溶剂中,由于高分子溶剂能够进入到高分子形成的小球核中,因此小球的能量包括体积项和界面项两部分;而描述多组分体系下的自由能较为复杂,具体的推导详见原文。根据一系列的理论推导,发展了描述多组分体系下的Lifshitz理论,并且得到了转变点的链长依赖关系为,而这个结论也被数值的自洽场理论所证实(图34)。对于高的转变点,是有小分子溶剂所因此的,转变点表达式为,这也被数值计算所证实。


图3. 短链溶剂条件下,混合溶剂中高分子溶剂组分χp对转变点的影响。 


短链溶剂条件下,高分子溶剂链长以及聚合物溶质链长对转变点的影响。


  而当高分子溶剂的组分χp及分子量增加时,高分子溶剂很难进入到高分子小球中,因此此时小球的能量主要为界面能,这会使得转变点表现出与短链时候具有较大的区别。通过数值的自洽场理论发现,转变点与链长及组分的依赖关系为(图56)。而为了解释长链中的行为,作者发展了多组分体系下的强分凝理论,得到了多组分体系下界面能与溶剂组分及链长的关系,这些解析的理论也完美的验证的数值计算结果。


5长链溶剂条件下,混合溶剂中高分子溶剂组分χp对转变点的影响。 


6. 长链溶剂条件下,高分子溶剂链长以及聚合物溶质链长对转变点的影响。


  根据以上的转变点与链长的依赖关系,发现虽然在短链与长链情况下转变点与链长及溶剂组分的依赖关系不同,但是它们都具有相同的组合,并且这χ具有明确的物理含义——溶剂链所占据的体积与溶质链溶胀下体积的比值。通过这个标度参数,做相应的约化,图3-6可以很好的统一起来,得到普适的转变点与链长的依赖关系(如图7所示)。除此之外,高分子小球的其他性质,如链的密度分布及核心浓度也表现出普适的依赖关系。


7转变点处统一的标度关系。


  相关工作以“Two-Step Coil-to-Globule Transition in Mixed Mono-/Polymeric Solvents”为题发表在《Macromolecules》上。文章第一作者为宁波大学硕士研究生王娅霏,通讯作者为徐玉赐教授。该研究得到国家自然科学基金委的支持(21973051)。


  原文链接:https://doi.org/10.1021/acs.macromol.3c02284 

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(责任编辑:xu)
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