南方科技大学何凤课题组在嵌段共聚物超分子自组装领域上取得重要研究进展

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有序或对称结构的粒子给人以视觉上的美感。无论是纳米粒子还是微粒，粒子的形态对其物理甚至化学性质都有重要影响。因此，制备规则纳米粒子或微粒具有重要的理论研究和实际应用意义。螺型位错是常见的晶体生长机制。晶体通常通过螺旋位错形成三维螺旋形。这种形状在无机晶体中比较常见，但在有机晶体中相对少见。由于其特殊的结构，使得其在催化等领域具有独特的性能。然而，要获得尺寸均匀、结构良好的三维螺旋结构仍然是一个巨大的挑战。特别是在分子间弱相互作用形成的大分子胶束体系中，这一点尤为困难。

近日，南方科技大学何凤副教授研究团队着眼于采用共轭嵌段共聚物为构筑单元，通过分子间的π-π相互作用驱动分子自组装的，获得了三维螺旋塔状自组装软材料。材料的构筑基元分子为嵌段共聚物PPV-b-PEG，其在异丙醇溶液中经历可通过错位生长而得到如图1所示的二维到三维的自组装形貌。通过控制生长溶液的浓度，可以调整所形成胶束的尺寸，同时也可以实现从二维正方形到三维螺旋塔状的形貌转变。通过系列实验得知该自组装体并不具有强的结晶性，而是由嵌段共聚物中的共轭聚合物核心相对较弱的π-π相互作用主导，通过位错生长而得到的三维螺旋结构（图2）。同时，这些三维胶束的表面电势几乎均匀地分布在螺旋组装体的不同位置，电导率与螺旋层的数量成反比（图3）。

图1. PPV-b-PEG在不同浓度的异丙醇溶液中的形貌（从左往右浓度依次增大）。

图2. 三维螺旋结构的分子堆积。

图3. 三维螺旋结构的电学性能。

本项研究采用π-π相互作用驱动分子自组装手段成功实现了聚合物可控三维螺旋自组装胶束的形成，为三维微纳材料的构筑提供了新的思路。通过此种简便手段获得的三维螺旋软材料有着良好的光学和电学特性，同时具有优异的纳米尺寸可控性，使得这类由共轭嵌段共聚物形成的三维螺旋胶束在光电子器件和开关等方面有着良好的应用前景。

该论文发表于Macromolecules，题为“Three-Dimensional Spirals of Conjugated Block Copolymers Driven by Screw Dislocation”。2018级南科大-哈工大联培直博生祝育林是论文第一作者，南方科技大学化学系何凤副教授为唯一通讯作者，南方科技大学为唯一通讯单位。此外，南方科技大学格拉布斯研究院研究助理教授韩亮，2017级南科大-北大联培凡华，南方科技大学化学系研究助理王美晶，南方科技大学博士后漆锐，南方科技大学物理系副教授赵悦也对该文有重要贡献。

本项研究得到了国家自然科学基金、深圳基础研究计划、深圳市诺贝尔奖科学家实验室、广东省创新创业团队项目和南方科技大学分析测试中心的大力支持。

此外，何凤课题组近年来还在Nature Communications, Small Methods，Polymer Chemistry上发表系列基于笨撑乙烯嵌段共聚物的一维、二维和多级自组装的相关工作。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.0c00071

https://www.nature.com/articles/s41467-018-03195-y

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smtd.201900470

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/PY/C9PY01625B#!divAbstract

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