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南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院胡文兵教授《物理評(píng)論快報(bào)》:快速蒸發(fā)誘導(dǎo)二維高分子單晶

來源: 南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院      2019-11-18
導(dǎo)讀:二維高分子單晶由于其獨(dú)特的力學(xué)和光學(xué)等物理性質(zhì),正引起越來越多的關(guān)注。南京大學(xué)胡文兵教授課題組最近(2019年11月13日上線)在Physical Review Letters上發(fā)表了“Anomalous Ostwald Ripening enables 2D Polymer Crystal via Fast Evaporation”(Physical Review Letters,DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.207801)的合作研究論文。

通過動(dòng)態(tài)蒙特卡洛分子模擬,作者預(yù)測了快速蒸發(fā)條件下,高分子溶液表面形成的二維高濃度表皮層(skin layer)可以在特定溫度下表現(xiàn)出獨(dú)特的結(jié)晶行為。模擬結(jié)果證實(shí)在合適鏈長、蒸發(fā)速率條件下,沿著溶液表面方向的晶核優(yōu)先生長,而其他晶核則逐漸消失,最后形成大尺度二維高分子單晶。晶核生長動(dòng)力學(xué)分析顯示出異常的Ostwald熟化過程,可歸因于熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)的非晶組分?jǐn)U散與非平衡態(tài)表皮層中濃度梯度驅(qū)動(dòng)擴(kuò)散的共同作用結(jié)果。這一異常熟化機(jī)制有望應(yīng)用于界面制備大尺寸高分子單晶,并有助于理解單雙軸拉伸條件下的聚合物結(jié)晶成型過程并達(dá)到調(diào)控合成纖維和塑料薄膜半結(jié)晶結(jié)構(gòu)及其性能的目的。該文第一作者為湯啟云博士,哥廷根大學(xué)Marcus Müller教授以及Drexel大學(xué)Christopher Y. Li教授為共同作者。

    圖1顯示在快速蒸發(fā)過程中隨著界面向左退縮的高分子濃度分布及其界面結(jié)晶形貌??梢钥吹礁叻肿釉谧杂杀砻嫣幮纬筛邼舛缺砥印?duì)于結(jié)晶高分子而言,其在溶液中的結(jié)晶能力與高濃度直接正相關(guān):圖1(a)中的插圖顯示隨著單體體積濃度從0.05增加到0.65,結(jié)晶約化溫度從2.0增加到3.1。因此在特定溫度(例如3.0)下,本體濃度為0.1的溶液無法結(jié)晶,但是當(dāng)快速蒸發(fā)形成的表皮層濃度高達(dá)0.65時(shí),仍然可以結(jié)晶,且只會(huì)限制在二維表皮層。圖1(b)顯示高分子晶核在快速蒸發(fā)過程中,其中小部分特定取向的晶核獲得持續(xù)的生長,而其它晶核則逐漸消失,顯示出典型的Ostwald熟化過程。最終結(jié)晶時(shí)刻t=60.0τ晶核生長成二維高分子單晶。


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