Science：利用嵌段共聚物模拟金属相变过程

【引言】

原子核分子的种类以及空间排列决定了很多凝结态物质的相关性质。硬质材料比如金属或者合金，按照经典理论理解，其空间结构是由原子之间的作用力决定的，一般来说，金属易形成具有高度对称性的体心立方，面心立方等结构，然而，当冷却至低温时，某些金属如锰或者钚往往会形成一些复杂的低对称性准晶结构。合金的晶体结构更为复杂。目前有关于硬质材料的相变过程还没有完整的理论解释，这对于通过温度调控材料性能具有很大的桎梏。

【成果简介】

自组装软材料——包括表面活性剂和脂质，超分子和嵌段聚合物均可以通过不同组装方式形成一定结构。其中不对称AB型二嵌段共聚物通常形成球形的自组装颗粒，或是形成体心立方结构。加入稀释剂之后其结构更为多样。根据这一特点，美国明尼苏达大学的Frank S. Bateshe和Kevin D. Dorfman（共同通讯作者）等在Science上发表了题为“Thermal processing of diblock copolymer melts mimics metallurgy”的文章，他们通过利用低分子量的聚丙交酯（PLA）和较大烷基链嵌段二嵌段聚合物的小角度X射线散射（SAXS）实验揭示了低于无序转变温度时Frank-Kasper（FK）相和准晶相的形成。BCC晶格可通过一个晶格取一个点来进行表征，而FK相包含具有2个或多个结晶位点的大单位晶胞，可以形成多个粒度和形状，因此可以通过其来模拟金属合金的温度响应形成过程。从无序状态到有序状态和有序阶段的转变需要传质，因此通过不同的热处理方式可以实现长时间亚稳存在状态。通过这一方式可以很好的再现冶金工业中常用技术生产过程。

【图文导读】

图1 对不对称二嵌段共聚物SCFT自由能的计算

（A）PI（聚酰亚胺）和PLA（聚丙交酯）的化学结构以及不对称二嵌段共聚物的形成示意图。

（B）胶束颗粒形成示意图。

（C）Frank-Kasper相相对于BCC相SCFT自由能的差异。

图2 Frank-Kasper相的结构成分

（A）四种通过组合形成Frank-Kasper相结构的多面体的平面图。

（B）由上述结构组合而成的不同晶型的示意图。

图3 二嵌段共聚物IL-58-15经过不同热处理的SAXS图

(A) 直接从无序状态冷却。

(B) 将二嵌段共聚物浸没在液氮中再进行加热处理。

图4 二嵌段共聚物 IL-52-20经过不同热处理的SAXS图

(A) 直接从无序状态冷却（无序态到六方晶格态转化温度132℃）。

(B) 将二嵌段共聚物浸没在液氮中再进行加热处理。

【小结】

本文介绍了一种利用低分子量二嵌段共聚物进行金属以及合金冶炼过程中相变模拟的方法。文章通过对几种不同体系的控制成功模拟了不同温度处理条件下Frank-Kasper（FK）相和准晶相的形成。该研究成果对于我们加深对于硬物质材料相变行为以及控制硬质材料结构具有极其重要的意义。

文献链接:Thermal processing of diblock copolymer melts mimics metallurgy（Science, 2017, DOI: 10.1126/science.aam7212）

本文由材料人编辑部高分子材料组Som0909供稿，材料牛编辑整理。

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