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2019年12月8日
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胡文兵教授《物理评论快报》:快速蒸发诱导二维高分子单晶

二维高分子单晶由于其独特的力学和光学等物理性质,正引起越来越多的关注。中国竞彩网胡文兵教授课题组最近(2019年11月13日上线)在Physical Review Letters上发表了“Anomalous Ostwald Ripening enables 2D Polymer Crystal via Fast Evaporation”(Physical Review Letters,DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.207801)的合作研究论文。

通过动态蒙特卡洛分子模拟,作者预测了快速蒸发条件下,高分子溶液表面形成的二维高浓度表皮层(skin layer)可以在特定温度下表现出独特的结晶行为。模拟结果证实在合适链长、蒸发速率条件下,沿着溶液表面方向的晶核优先生长,而其他晶核则逐渐消失,最后形成大尺度二维高分子单晶。晶核生长动力学分析显示出异常的Ostwald熟化过程,可归因于热力学驱动的非晶组分扩散与非平衡态表皮层中浓度梯度驱动扩散的共同作用结果。这一异常熟化机制有望应用于界面制备大尺寸高分子单晶,并有助于理解单双轴拉伸条件下的聚合物结晶成型过程并达到调控合成纤维和塑料薄膜半结晶结构及其性能的目的。

图1在快速蒸发过程中随着界面向左退缩的高分子浓度分布及其界面结晶形貌

图1显示在快速蒸发过程中随着界面向左退缩的高分子浓度分布及其界面结晶形貌。可以看到高分子在自由表面处形成高浓度表皮层。对于结晶高分子而言,其在溶液中的结晶能力与高浓度直接正相关:图1(a)中的插图显示随着单体体积浓度从0.05增加到0.65,结晶约化温度从2.0增加到3.1。因此在特定温度(例如3.0)下,本体浓度为0.1的溶液无法结晶,但是当快速蒸发形成的表皮层浓度高达0.65时,仍然可以结晶,且只会限制在二维表皮层。图1(b)显示高分子晶核在快速蒸发过程中,其中小部分特定取向的晶核获得持续的生长,而其它晶核则逐渐消失,显示出典型的Ostwald熟化过程。最终结晶时刻t=60.0τ晶核生长成二维高分子单晶。

该文第一兼通讯作者是中国竞彩网博士后现在德国哥廷根大学的汤启云博士,哥廷根大学Marcus Müller教授以及Drexel大学Christopher Y. Li教授为共同作者,中国竞彩网胡文兵教授为共同通讯作者。

论文链接:

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.207801

(化学化工学院 科学技术处)