Science：利用嵌段共聚物模擬金屬相變過程

【引言】

原子核分子的種類以及空間排列決定了很多凝結態物質的相關性質。硬質材料比如金屬或者合金，按照經典理論理解，其空間結構是由原子之間的作用力決定的，一般來說，金屬易形成具有高度對稱性的體心立方，面心立方等結構，然而，當冷卻至低溫時，某些金屬如錳或者钚往往會形成一些復雜的低對稱性準晶結構。合金的晶體結構更為復雜。目前有關于硬質材料的相變過程還沒有完整的理論解釋，這對于通過溫度調控材料性能具有很大的桎梏。

【成果簡介】

自組裝軟材料——包括表面活性劑和脂質，超分子和嵌段聚合物均可以通過不同組裝方式形成一定結構。其中不對稱AB型二嵌段共聚物通常形成球形的自組裝顆粒，或是形成體心立方結構。加入稀釋劑之后其結構更為多樣。根據這一特點，美國明尼蘇達大學的Frank S. Bateshe和Kevin D. Dorfman（共同通訊作者）等在Science上發表了題為“Thermal processing of diblock copolymer melts mimics metallurgy”的文章，他們通過利用低分子量的聚丙交酯（PLA）和較大烷基鏈嵌段二嵌段聚合物的小角度X射線散射（SAXS）實驗揭示了低于無序轉變溫度時Frank-Kasper（FK）相和準晶相的形成。BCC晶格可通過一個晶格取一個點來進行表征，而FK相包含具有2個或多個結晶位點的大單位晶胞，可以形成多個粒度和形狀，因此可以通過其來模擬金屬合金的溫度響應形成過程。從無序狀態到有序狀態和有序階段的轉變需要傳質，因此通過不同的熱處理方式可以實現長時間亞穩存在狀態。通過這一方式可以很好的再現冶金工業中常用技術生產過程。

【圖文導讀】

圖1 對不對稱二嵌段共聚物SCFT自由能的計算

（A）PI（聚酰亞胺）和PLA（聚丙交酯）的化學結構以及不對稱二嵌段共聚物的形成示意圖。

（B）膠束顆粒形成示意圖。

（C）Frank-Kasper相相對于BCC相SCFT自由能的差異。

圖2 Frank-Kasper相的結構成分

（A）四種通過組合形成Frank-Kasper相結構的多面體的平面圖。

（B）由上述結構組合而成的不同晶型的示意圖。

圖3 二嵌段共聚物IL-58-15經過不同熱處理的SAXS圖

(A) 直接從無序狀態冷卻。

(B) 將二嵌段共聚物浸沒在液氮中再進行加熱處理。

圖4 二嵌段共聚物 IL-52-20經過不同熱處理的SAXS圖

(A) 直接從無序狀態冷卻（無序態到六方晶格態轉化溫度132℃）。

(B) 將二嵌段共聚物浸沒在液氮中再進行加熱處理。

【小結】

本文介紹了一種利用低分子量二嵌段共聚物進行金屬以及合金冶煉過程中相變模擬的方法。文章通過對幾種不同體系的控制成功模擬了不同溫度處理條件下Frank-Kasper（FK）相和準晶相的形成。該研究成果對于我們加深對于硬物質材料相變行為以及控制硬質材料結構具有極其重要的意義。

文獻鏈接:Thermal processing of diblock copolymer melts mimics metallurgy（Science, 2017, DOI: 10.1126/science.aam7212）

本文由材料人編輯部高分子材料組Som0909供稿，材料牛編輯整理。

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