高分子微纳结构在光电器件、模板、传感器等领域具有广阔的应用前景,材料的物理性质极大程度上决定着超薄膜和微纳结构的热稳定性及器件的使用寿命。研究发现,在高分子纳米材料与介质之间的相互作用力为非吸引力的情况下,材料的玻璃化转变温度Tg随尺寸的降低而降低。为了解释这一实验现象,科学家们提出并证实了聚合物-空气界面处存在自由表面层。然而,自由表面层存在的本质原因仍然是困扰高分子物理学界的问题之一。因此,研究和理解空间受限条件下聚合物的链段和分子松弛行为具有重要意义。环形高分子由于没有端基而备受关注,也被期望用来揭示线形聚合物的端基对聚合物在纳微受限空间中链段和分子链松弛行为的影响。为了研究聚合物自由表面层存在的本质原因,我们以低分子量线形和环形聚苯乙烯(polystyrene,PS)为研究对象。通过在支撑型聚合物薄膜表面构筑纳米光栅结构,利用原子力显微镜(atomic force microscope,AFM)跟踪纳米光栅随温度变化的热形变行为以及随时间变化的衰减过程,研究了光栅尺寸和分子量对线形和环形PS在纳米结构中链段松弛和分子松弛行为的影响规律。实验发现,曲率半径由36nm降至22 nm时,线形和环形PS光栅开始迅速衰减的温度Ts均降低约10K。结合前人对环形PS薄膜的Tg几乎不受尺寸影响的实验结果,我们推测聚合物纳米材料的Tg随尺寸降低而降低的普遍现象主要是由聚合物-空气界面处的链段堆积密度降低造成的,而不是由排斥到界面处的线形聚合物的端基引起的。不同分子量环形PS光栅的Ts大致相同,表明环形PS分子链的长短对光栅表面分子堆积效应仅有微弱的影响。另外,我们还发现光栅衰减动力学具有相类似的温度依赖性,不受光栅侧向尺寸的影响,测得的光栅衰减的粘度与温度符合Vogel-Fulcher-Tammann(VFT)关系。当光栅曲率半径由36 nm降低至22 nm时,线形PS和环形PS的特征温度Tk以及分子松弛活化能均有显著的降低,表明纳米光栅受限空间中线形和环形PS分子松弛行为具有明显的尺寸依赖性。相对于线形PS,缠结分子量以下的环形PS粘度对分子量有弱依赖性,并且纳米光栅中环形PS分子松弛行为也具有较弱的分子量依赖性。