二維高分子單晶由于其獨特的力學和光學等物理性質，正引起越來越多的關注。南京大學胡文兵教授課題組11月13日在Physical Review Letters上發表了“Anomalous Ostwald Ripening enables 2D Polymer Crystal via Fast Evaporation”(Physical Review Letters,DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.207801)的合作研究論文。
通過動態蒙特卡洛分子模擬，作者預測了快速蒸發條件下，高分子溶液表面形成的二維高濃度表皮層（skin layer）可以在特定溫度下表現出獨特的結晶行為。模擬結果證實在合適鏈長、蒸發速率條件下，沿著溶液表面方向的晶核優先生長，而其他晶核則逐漸消失，最后形成大尺度二維高分子單晶。晶核生長動力學分析顯示出異常的Ostwald熟化過程，可歸因于熱力學驅動的非晶組分擴散與非平衡態表皮層中濃度梯度驅動擴散的共同作用結果。這一異常熟化機制有望應用于界面制備大尺寸高分子單晶，并有助于理解單雙軸拉伸條件下的聚合物結晶成型過程并達到調控合成纖維和塑料薄膜半結晶結構及其性能的目的。
圖1在快速蒸發過程中隨著界面向左退縮的高分子濃度分布及其界面結晶形貌。
可以看到高分子在自由表面處形成高濃度表皮層。對于結晶高分子而言，其在溶液中的結晶能力與高濃度直接正相關：圖1（a）中的插圖顯示隨著單體體積濃度從0.05增加到0.65，結晶約化溫度從2.0增加到3.1。因此在特定溫度（例如3.0）下，本體濃度為0.1的溶液無法結晶，但是當快速蒸發形成的表皮層濃度高達0.65時，仍然可以結晶，且只會限制在二維表皮層。圖1（b）顯示高分子晶核在快速蒸發過程中，其中小部分特定取向的晶核獲得持續的生長，而其它晶核則逐漸消失，顯示出典型的Ostwald熟化過程。最終結晶時刻t=60.0τ晶核生長成二維高分子單晶。
該論文第一兼通訊作者是南京大學博士后現在德國哥廷根大學的湯啟云博士，哥廷根大學Marcus Müller教授以及Drexel大學Christopher Y. Li教授為共同作者，南京大學胡文兵教授為共同通訊作者。
論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.207801
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