Lambda Vision光学吸收光谱仪助力制备高性能高分子量嵌段共聚物光子晶体

引言

Ryuhei Motokawa团队在《Macromolecules》（高分子科学领域顶刊，2016 年）发表研究“Photonic Crystals Fabricated by Block Copolymerization-Induced Microphase Separation"，针对传统溶液浇铸与退火方法难以实现高分子量嵌段共聚物（BCPs）微相分离、无法形成有序亚微米结构的技术瓶颈，提出聚合诱导微相分离创新方案，通过在聚合过程中调控嵌段共聚物分子量增长与相转变，成功制备出高有序性光子晶体，为光子晶体的规模化生产与多维功能拓展提供了全新路径。

摘要

本文提出一种通过嵌段共聚物（BCPs）的聚合诱导微相分离制备光子晶体（PCs）的方法。用于制备光子晶体的嵌段共聚物分子量高昂，以至于传统溶液浇铸与退火方法难以完成微相分离，无法形成周期性有序亚微米结构。本方法通过在聚合过程中诱导微相分离与相转变攻克这一难题 —— 此时嵌段共聚物的分子量足够小，可顺利发生微相分离与相转变。随后，微相分离结构在保持自相似性的同时逐步扩大。通过聚甲基丙烯酸甲酯 - 嵌段 - 聚苯乙烯（PMMA-b-PS）的活性自由基本体嵌段共聚，我们成功制备出反射波长 λₘ≈1000 nm、半高宽 Δλ=0.05λₘ的光子晶体。

 实验方法

光学反射光谱测试

在光学反射光谱测试中，将 0.025 克 PMMA-RAFT 溶于 0.18 克普通苯乙烯（styrene-h₈）中，装入内部尺寸为 55 毫米（长）×10 毫米（宽）×0.5 毫米（厚）的石英池，随后置于带 5 毫米直径孔径的黄铜加热块中加热（详见支持信息图 S1）。采用Lambda Vision LVmicro SUV-100S-NIR型光学吸收光谱仪在 400-1000 纳米波长范围测定正入射光学反射光谱，并从每条光谱中扣除石英池的空白反射光谱。

Lambda Vision LVmicro SUV-100S-NIR型光学吸收光谱仪

结论

通过聚合诱导微相分离方法，成功解决了用于制备光子晶体（PCs）的高分子量嵌段共聚物（BCPs）存在的强链缠结问题。以聚甲基丙烯酸甲酯 - 嵌段 - 聚苯乙烯（PMMA-b-PS）为对象，通过活性自由基本体聚合制备出反射波长 λₘ≈1000 nm、相对半高宽 Δλ/λₘ=0.05 的光子晶体，充分证实了该方法的优势。原位时间分辨 ¹H 核磁共振（¹H NMR）、光学反射光谱及小角中子散射（SANS）测试结果证实以下两点：（1）嵌段共聚物的微相分离与结构显色发生在聚合初期 —— 此时嵌段共聚物分子量足够小，可实现结构弛豫；（2）随着微区间距持续增大，结构色不断动态变化，直至聚合反应结束。如上所述，除非使用特殊设计的聚合物，否则该方法在制备 “更长反射波长 λₘ" 与 “更小相对半高宽 Δλ/λₘ" 的嵌段共聚物光子晶体方面，显著优于传统溶液浇铸与退火方法。因此，我们认为该方法为光子晶体的规模化生产取得了实质性进展。此外，该方法还为开发具有多样化微区结构的多维光子晶体提供了可能。未来，我们计划通过优化聚合反应的原料组成与工艺条件，制备出具备特定光学特性的此类光子晶体。