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  近年來一系列研究表明基于分子納米粒子精確合成的巨型分子體系（giant molecule）(Macromolecules 2014, 47, 1221.) 是一個研究軟物質(zhì)材料自組裝的理想平臺。通過調(diào)節(jié)巨型分子的相互作用力，幾何形貌，拓撲結(jié)構(gòu)，巨型分子可以形成一系列包括Frank-Kasper相以及準晶相在內(nèi)的超分子組裝結(jié)構(gòu)。然而，當(dāng)前較少有工作研究有關(guān)巨型分子體系內(nèi)相形成/相轉(zhuǎn)變的速度以及過程。而這個經(jīng)典的動力學(xué)問題對于更加深入了解巨型分子的自組裝行為至關(guān)重要。

  在此研究中， 一系列AB_n型巨型分子通過將一個親水polyhedral oligomeric silsesquioxane （POSS）納米粒子與不同數(shù)量的疏水POSS 納米粒子精確相連而成。通過調(diào)節(jié)同一個巨型分子中疏水POSS的數(shù)量（n=2-6），巨型分子會形成不同的超分子組裝結(jié)構(gòu) （包括六方緊密堆積柱狀結(jié)構(gòu)（HEX）, Frank-Kasper A15相，F(xiàn)rank-Kasper σ相）。更為有意思的是，AB₅型巨型分子（一個親水POSS納米粒子連接5個疏水POSS納米粒子）以及AB₆型巨型分子 (一個親水POSS納米粒子連接6個疏水POSS納米粒子) 在低退火溫度下可以形成十二重對稱準晶相（Dodecagonal quasicrystal, DQC）, 而在高退火溫度下可以形成Frank-Kasper σ相(圖一)。

圖一 AB_n型巨型分子小角X-Ray散射（small angle X-ray scattering (SAXS)）表征及相圖。

  研究人員通過小角X-Ray散射（Small Angle X-ray Scattering (SAXS)）詳細的研究了DQC相和σ相之間的相穩(wěn)定關(guān)系以及相轉(zhuǎn)變動力學(xué)過程 （圖二）。當(dāng)分子由熔融無序狀態(tài)淬火到低溫狀態(tài)時（110 °C），只有DQC相形成（圖二a，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)有序度隨時間變化關(guān)系如圖二d所示）；而當(dāng)分子由熔融狀態(tài)淬火到高溫狀態(tài)時（125 °C），只有σ相形成（圖二c，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)有序度隨時間變化關(guān)系如圖二f所示；同時再將此樣品置于低溫長時間退火（110 °C），依舊只有σ相形成）；當(dāng)分子淬火到中間溫度時（118 °C），SAXS結(jié)果表明DQC相首先形成， 之后逐漸相轉(zhuǎn)變?yōu)?span style="font-family:Symbol;">σ相（圖二b，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)有序度隨時間變化關(guān)系如圖二e所示）。實驗結(jié)果表明在此體系中DQC 相是具有動力學(xué)優(yōu)勢的亞穩(wěn)定相，而σ相是穩(wěn)定相。

圖二 基于SAXS的AB₅型巨型分子相形成過程的動力學(xué)研究。樣品由熔融無序狀態(tài)下（150 °C）淬火到不同溫度(a) 110 °C, (b) 118 °C, (c) 125 °C后在不同退火時間對樣品結(jié)構(gòu)的SAXS檢測。樣品由熔融無序狀態(tài)下（150 °C）淬火到不同溫度(d) 110 °C, (e) 118 °C, and (f) 125 °C后，樣品結(jié)構(gòu)有序度與退火時間的關(guān)系。

  除此以外，研究人員對于在此相形成/轉(zhuǎn)變過程中的結(jié)構(gòu)有序度變化以及X-ray圖中特征衍射峰強度變化進行了詳細研究。結(jié)果表明DQC相以及σ相的形成都是“成核控制”的過程。同時小幅震動剪切實驗表明當(dāng)同種樣品具有不同超分子結(jié)構(gòu)狀態(tài)時（無序狀態(tài)，DQC相，σ相），樣品會表現(xiàn)出不同的流變學(xué)性質(zhì)。

  對于巨型分子相形成/轉(zhuǎn)變的詳細研究，有助于我們更加深入的了解巨型分子超分子自組裝，從而為進一步研究材料結(jié)構(gòu)與材料性質(zhì)之間的關(guān)系打下堅實的基礎(chǔ)。

  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsmacrolett.9b00287