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华中科技大学朱锦涛教授、清华大学杨振忠教授研究团队在手性嵌段共聚物自组装行为研究中取得新进展
发布时间:2019/09/15 22:39:46    作者:耿振   来源:    点击率:

9月9日,《自然通讯》(Nature Communications)杂志在线刊发了华中科技大学朱锦涛教授、清华大学杨振忠教授研究团队题为“Moebius strips of Chiral Block Copolymers”的最新研究成果。


  
    莫比乌斯环(
Moebius
strip)是一种独特的拓扑学结构,它只有一个表面。由德国数学家、天文学家莫比乌斯(August Ferdinand Moebius)和约翰·李斯丁(Johhan Benedict Listing1858首次提出宏观上,这个结构可以用一个纸带旋转半圈再把两端粘上之后轻而易举地制作出来。研究表明,具有特殊空间结构的莫比乌斯环不仅在数学拓扑领域具有重要地位,在分子、超分子层面中也赋予微观体系特殊的性质。例如具有莫比乌斯构象的共轭分子具有与传统休克儿4n+2规则互补的芳香性质。由于这种特殊的结构通常处于热力学亚稳态,微观尺度上构筑这种特殊的拓扑结构颇具挑战嵌段共聚物的溶液自组装提供了一种自下而上制备形貌可控超分子组装体的有效方法。组装体形貌结构可以通过聚合物组成、初始浓度、溶剂性质、水含量等诸许多因素进行调控。但目前而言,具有莫比乌斯带这种拓扑结构的聚合物组装体尚未见文献报道。

研究团队通过手性嵌段共聚物聚苯乙烯-block-聚右旋乳酸(PS-b-PDLA)THF/water混合溶剂中快速组装制备了一种微米尺度的环状组装体。分析发现,约50%的环状组装体的环壁具有180°扭曲结构,且这种扭曲结构主要呈左手性扭曲。我们将这种含扭曲结构的环状组装体称为嵌段共聚物莫比乌斯环。通过对环状组装体形成的动力学机制进行分析,发现环状组装体是由嵌段共聚物自组装形成的小尺寸球形胶束融合形成复合球形胶束,复合球形胶束发生形变形成条带状组装体,条带状组装体闭合成环形成的结合透射电子显微镜、广角X射线衍射、圆二色谱,及傅里叶转变红外光谱等一系列表征手段证实,状组装体的形成是疏水相互作用、结晶和手性作用共同作用的结果。

研究发现,嵌段共聚物莫比乌斯环环壁上扭曲结构的产生于条带闭合成环过程:条带两端发生顺时针或逆时针90°旋转以后以“面-面”贴合的形式发生有效粘合,两端同时顺时针旋转90°则得到左手性扭曲的莫比乌斯环,而同时逆时针旋转90°则得到右手性扭曲的莫比乌斯环。


本工作中嵌段共聚物莫比乌斯环的形成涉及到由链节构型到链段构象、由链段构象到聚合物相区和由相区到组装体这三个不同层级的手性传递,并且在手性由相区到组装体传递的过程中发生了反转。研究表明,手性反转的发生是由PS链段在形貌转变过程中随PDLA相区结构变化发生取向拉伸产生的内应力在纺锤体状组装体闭合成环过程中发生松弛释放所致。本工作将有助于加深人们对手性从分子水平向超分子结构传递现象的理解和认识

华中科技大学为第一完成单位,论文第一作者是澳门金莎娱乐网站博士后耿振,华中科技大学的朱锦涛教授张连斌教授及清华大学杨振忠教授是论文的通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金和华中科技大学学术前沿青年团队项目等的支持。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-019-11991-3.pdf





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