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廣東工業(yè)大學(xué)閻志超 Macromolecules: 側(cè)鏈在共軛高分子堆砌結(jié)構(gòu)與動(dòng)力學(xué)行為中所扮演的角色
2023-07-19  來源：高分子科技

  作為本征柔性光電材料，共軛聚合物離不開堆砌結(jié)構(gòu)與黏彈性的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)與調(diào)控。側(cè)鏈工程是上述兩個(gè)因素的主要調(diào)節(jié)方法，然而，調(diào)控背后的分子機(jī)制仍存在爭議，例如，與堆砌相關(guān)的中子散射峰的歸屬、半剛性主鏈與烷基側(cè)鏈在動(dòng)力學(xué)上的相互影響等。已有的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象迫切需要分子層面的解釋，以準(zhǔn)確指導(dǎo)共軛高分子的黏彈性與加工性能調(diào)控。


圖1. 聚（3-己基噻吩）的堆砌結(jié)構(gòu)及對應(yīng)的中子散射峰


  近期，廣東工業(yè)大學(xué)閻志超副教授利用全原子分子動(dòng)力學(xué)模擬，通過系統(tǒng)調(diào)控聚（3-烷基噻吩）的側(cè)鏈長度，揭示了共軛聚合物鏈堆砌與動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象背后的分子機(jī)制。堆砌結(jié)構(gòu)方面，明確了中子散射低矢量（q）峰對應(yīng)鏈間的edge-to-edge堆砌，而高q峰不僅代表鏈內(nèi)相鄰側(cè)鏈的距離，也反映了鏈間的face-to-face堆砌距離（圖1）。動(dòng)力學(xué)方面，模擬發(fā)現(xiàn)了側(cè)鏈上不同位置碳原子的動(dòng)力學(xué)差異，從而證實(shí)了他們在之前實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的兩步松弛現(xiàn)象（圖2，3）；非高斯參數(shù)表明，共軛聚合物的側(cè)鏈原子感受到來自側(cè)鏈和主鏈兩個(gè)動(dòng)力學(xué)“籠（cage）”的束縛，有別于聚丙烯酸酯只有側(cè)鏈cage的情況（圖4）。這項(xiàng)工作有望推進(jìn)對共軛聚合物分子堆砌與動(dòng)力學(xué)行為的認(rèn)識，可用于指導(dǎo)共軛聚合物黏彈性的分子設(shè)計(jì)。該工作以“Role of Side Chains in the Packing Structure and Dynamics of Conjugated Polymers”為題發(fā)表在《Macromolecules》上（DOI: 10.1021/acs.macromol.3c00633）。文章第一作者為焦貴省博士，該研究得到了國家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金的支持。 


圖2. 聚（3-烷基噻吩）上不同位點(diǎn)碳原子的動(dòng)力學(xué)行為 



圖3. 聚（3-己基噻吩）側(cè)鏈上不同位點(diǎn)碳原子的動(dòng)力學(xué)溫度依賴性 



圖4.不同溫度下與不同位置側(cè)鏈碳原子的非高斯參數(shù)


  該工作是閻志超副教授關(guān)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)高分子動(dòng)力學(xué)與流變學(xué)相關(guān)研究的最新進(jìn)展之一。為闡明支化、環(huán)狀等復(fù)雜結(jié)構(gòu)高分子的分子流變學(xué)機(jī)制，指導(dǎo)此類材料的黏彈性設(shè)計(jì)與加工，閻志超副教授及其合作者結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)模擬與實(shí)驗(yàn)流變學(xué)開展了一系列工作。包括線性/支化共混物分子本構(gòu)方程的發(fā)展（Macromolecules, 2021, 54, 11047），含支化結(jié)構(gòu)共聚物的玻璃化轉(zhuǎn)變與流變學(xué)研究（Polymer Chemistry, 2023, 14, 1043; Polymer Chemistry, 2021, 12, 3427），以及長支鏈共軛聚合物的主側(cè)鏈動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究等（Macromolecules, 2021, 54, 4061）。此外，他們還系統(tǒng)探索了環(huán)狀高分子在相容性共混物中的玻璃化轉(zhuǎn)變與分子動(dòng)力學(xué)問題（Macromolecules, 2020, 53, 658）。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.macromol.3c00633

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