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所有物质都由一个或多个相组成——具有统一结构和物理性质的空间区域。H2O(固态、液态和气态)的共同相也被称为冰、水和蒸汽，这是众所周知的。类似地，尽管不太熟悉，聚合物材料也可以形成不同的固相或液相，这决定了它们的性能和最终用途。嵌段共聚物尤其如此，当一种类型的聚合物链(“嵌段a”)与另一种类型的聚合物链(“嵌段B”)发生化学连接时，就会产生自组装大分子。

加州大学圣塔芭芭拉工程学院材料助理教授克里斯·贝茨解释说:“如果你想要一种具有一定性能的嵌段共聚物，你需要为特定的应用选择合适的相。”“对于鞋中的橡胶，你需要一个阶段;要制造一种膜，你需要一种不同的膜。”

在最简单的嵌段共聚物中，只发现了大约五种相。极少能找到一个新的阶段,但贝茨和其他加州大学圣芭芭拉分校的一个研究小组包括教授格伦•弗雷德里克森(化学工程)和克雷格小贩(材料),摩根贝茨,科学家和技术主管助理道指UCSB材料研究所,博士后研究员约书亚Lequieu,所做的。

他们的发现发表在《美国国家科学院院刊》上。

大约12个月前，摩根贝茨(Morgan Bates)在实验室里对她合成的聚合物进行了一些实验，她说，“通过研究调整嵌段化学反应的过程，来了解控制嵌段共聚物自组装的基本参数。”

根据Chris Bates的说法，“A”和“B”块的化学成分有无限的可能性。他说:“现代合成化学让我们基本上可以选择任何一种聚合物，然后将它与另一种B块连接起来。”“考虑到这个巨大的设计空间，真正的挑战是找出最关键的旋钮来转动控制自组装。”

摩根·贝茨试图理解化学和结构之间的关系。

“我用化学方法调整了一个与‘构象不对称’相关的参数，这个参数描述了两个块体如何填满空间，”她回忆起导致这一发现的过程。“我们并不一定要寻找一个新的阶段，但我们认为也许我们会发现一些新的行为。在这种情况下，共价键连接在一起的A和B块填充空间非常不同，这似乎是导致某种独特的自组装的潜在参数。”

在创造了嵌段共聚物之后，她把它们带到伊利诺斯州阿贡国家实验室的先进光子源，在那里用一种叫做“小角度x射线散射”的技术来表征它们。这个过程产生了一个二维的x射线分布在同心圆上的特征。环的相对位置和强度表示一个特定的相位。摩根需要去一个国家实验室，因为这个过程需要的x射线比校园里能产生的更强。

完成这项工作后，克里斯·贝茨说:“利用晶体学的知识，你可以解释散射数据并生成一幅图像，就好像你在用眼睛观察结构一样。在这种情况下，数据的质量如此之高，我们能够毫不含糊地做到这一点。”

摩根贝茨(Morgan Bates)回忆说，当她检查x射线图像时，有一件事是明确无误的:“它看起来不一样。我想，‘那是什么?’”

当然，这是他们新发现的阶段，被称为A15。“对于这些类型的AB嵌段共聚物，人们以前只观察到少量的相，而我们已经发现了另一种相，从设计的角度来看，这增加了可能的选择，”克里斯说。

“在对结构进行分类的方法中，这一阶段属于一个被称为‘四面体紧密堆积’的类别，”计算机模拟专家、聚合物相行为模型的勒奎补充说。“我们在嵌段共聚物中发现的相实际上是在1931年首次观察到的钨的同素异形体。但在这种情况下，A15是由金属原子形成的，这在原子长度尺度上创造了一个非常小的结构。我们的嵌段共聚物采用相同的结构，但在长度上要大两个数量级，当然，不涉及金属原子。

“如果你用显微镜观察它们，”他继续说，“它们的结构看起来是一样的，只是大小不同。令人着迷的是，大自然选择使用相同的结构基元来处理完全不同的材料，这些材料具有完全不相关的化学和物理特性。”

该项目证明了加州大学圣巴巴拉分校的研究人员之间合作的易用性和倾向性。它开始于霍克和贝茨开发的新化学来调整材料的性质，随后是摩根意想不到的表征结果。“从那以后，我们找到乔什，告诉他实验中有一些我们没有预料到的奇怪现象，并问他为什么，”克里斯贝茨(Chris Bates)说。然后，勒奎与弗雷德里克森合作开发计算机模拟。

Lequieu说:“在这个项目上有很好的反复。“我们做了一个很难理解的实验，所以我们进行了模拟来解释它。然后，摩根根据最初的模拟结果做了更多的实验，并观察到计算结果实际上具有预测性。实验中所观察到的相恰好出现在模拟结果所显示的位置。然而，在一些地方，实验和模拟结果并不一致，因此我们进行了多次迭代，以改进模型，并真正理解其中的微妙之处。”

“未来，”克里斯贝茨补充说，“我们的团队将继续整合材料合成和理论，以寻找更独特的相行为。”

勒奎将这种从实验到仿真再到理论再回来的反馈回路描述为“现代材料科学的一种梦想”。摩根做这些样品做了很多工作。如果有人在电脑上预测结果，然后说，‘这是要合成的聚合物的子集，应该会形成所需的结构’，那就容易得多。这种所谓的‘逆向设计’方法为她节省了很多时间和精力。”

就自然回归到对其他无关材料的首选设计而言，有一点历史是值得注意的。1887年，开尔文勋爵——他以绝对温度的单位命名——正在研究后来被称为“开尔文问题”的问题。“这是一项研究，旨在确定如何将空间分割成体积相等、表面积最小的细胞。他提出的解决方案，即最有效的泡沫泡沫，被称为“开尔文结构”。

它维持了大约一百年，但在1994年被证明是不正确的。开尔文选择了所谓的“结构A”，但一组英国科学家表示，“结构B”甚至更好。从那以后，结构B在科学界甚至更远的地方获得了声誉，例如，在为2008年奥运会而建的北京国家游泳中心的屋顶上，它以巨大的气泡的形式出现，既是功能性建筑元素，也是设计元素。

原来，研究人员在这个项目A15中发现的新阶段是结构B，这再次证实了大自然喜欢以前成功的设计。