液晶與高分子複合材料的多層級微相結構在納米模板、納米印刷和信息防偽等領域有著潛在應用前景，近年來受到研究者的廣泛關注。由於液晶基元具有“刺激響應”特性，因此將液晶作為功能基團引入到嵌段共聚物中，可以使大面積規整納米結構的製備與調控成為可能。
但是，目前液晶與高分子複合材料的多層級微納結構的研究仍然面臨一些困難：一是隨著納米技術的發展，納米科學對結構更加複雜和精細的納米器件的需求也更加迫切，因此多層級的納米結構的構築也成為近來的高分子複合材料領域的研究難點和研究熱點；二是實現室溫下能迅速、可逆、精確地對上述複雜納米結構的調控仍然面臨著挑戰。近日，北京大學工學院於海峰課題組對以上兩個問題提出相應的解決思路。在前人工作的基礎上，該組將脲鍵引入到一種含有偶氮苯液晶基元的液晶嵌段共聚物中。在微相分離的過程中，脲鍵與該液晶嵌段共聚物的分散相和連續相均能形成氫鍵作用。這種超分子鍵與嵌段共聚物中各嵌段的相互抑制的共同作用下，影響了退火過程中分散相的組分從各向同性溫度冷卻到室溫時的結晶過程，從而得到了一個非晶區和結晶區共存的相疇。研究組在未進行任何摻雜的情況下，僅利用液晶與高分子本身的氫鍵作用，實現了尺寸在10 nm以下的層級納米結構的構築（圖1）。這部分工作發表在了Macromolecular Rapid Communications上。
圖1.氫鍵誘導的液晶與高分子複合材料中多層級納米結構
另一方面，對於本身不能形成氫鍵的液晶與高分子複合物，摻雜是實現這種多層級納米結構簡單而可靠的策略。摻雜劑作為氫鍵的給體，液晶聚合物分子作為氫鍵的受體。一方面選用的摻雜劑的對嵌段共聚物的兩個組分都存在一定的作用，另一方面摻雜劑的手性也會藉助氫鍵的傳導作用對液晶與高分子的組裝產生影響。由於手性摻雜劑與共聚物的分散相具有較好的相容性，因此會優先發生作用並誘導出螺旋的納米柱結構。通過優化熱退火時間以及摻雜劑的含量，可以使手性向連續相發生轉移並進一步誘導出連續相的聚集手性。
此外，偶氮苯基團的液晶特性對於這種手性誘導的超分子組裝結構也具有很重要的影響。根據課題組提出的超分子協同作用機制，連續相中液晶的組裝和取向在微相分離形成規整的納米結構的過程中扮演著重要作用。對於連續相的聚集手性來說，液晶的光致相變會導致聚集態手性的破壞。同時，由於相變發生在連續相中，會進一步改變該體系中的自由體積，誘導聚合物鏈段的再組裝，使沿基板面內排列的納米結構轉變為垂直於基板面外排列的納米組裝，並且通過熱退火可以使得上述聚集手性回覆，從而
提供了一種簡單有效的構築及調控多層級納米結構的策略（圖2）。這一工作發表在了Angew. Chem. Int. Ed.上。 圖2.手性傳導誘的導螺旋納米結構、聚集手性在聚合物多相結構間的傳遞以及光調控的示意圖
上述工作的第一作者是工學院博士生黃帥，通訊作者為於海峰研究員，該研究得到國家自然科學基金委和青年千人計劃等經費支持。（來源：北京大學）
參考文獻
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