高分子－纳米棒复合体系组装驱动力与调控机制的计算机模拟研究

To design and regulate the polymer and nanorod composite systems, we not only use the functional structure of polymers, but also represent the specific nature of nanorods, which can apply into the intelligence of biological nanodevices, nanomachines or nanoorgans. This project uses and improves existing mesoscopic dissipative particle dynamics and coarse-grained molecular dynamics, as well as microscopic molecular dynamics simulations and modern computational chemistry methods, to study the driving forces and the regulation mechanism of the assembly process systematically. On the one hand, we investigate the bonding capacity and the bonding mode of nanorods combined with different types of polymers at microscopic level, to clarify the key chemical geometry, solvent selectivity, and a variety of interactions which induce the assembly structure formed. On the other hand, to observe the effects of the assembly process of ordered structures in different building blocks and selective solvents, we deeply investigate the driving forces of the polymer and nanorod composite systems at mesoscopic level. Furthermore, we clarify the regulation mechanism of the selective solvent as well as the electrostatic interaction thermodynamically and kinetically. The results of our study will not only be helpful to reveal the regulation nature for the orientation of the nanorods, but also will provide reliable theory for the optimization of the polymer and nanorod composite materials experimentally.

我们设计与调控高分子－纳米棒复合体系，既能利用高分子的功能结构，又能发挥纳米棒的特异性质，从而得到具有优越性能的纳米器件、纳米机器甚至纳米器官等。本项目拟运用介观的耗散粒子动力学和粗粒化分子动力学方法，以微观分子动力学模拟和量子化学计算方法等手段作为辅助，对高分子－纳米棒复合体系的组装驱动力和调控机制进行系统研究。一方面，在微观尺度上明晰具有不同亲疏水性高分子链与纳米棒结合的键合能力和键合模式，明确关键化学结构、溶剂以及各类弱相互作用等因素对组装结构的诱导作用；另一方面，在介观尺度上观察不同构筑基元和溶剂选择性对有序结构的组装过程的影响，深入研究复合体系组装的驱动力，从热力学和动力学上明晰溶剂选择性和静电作用对复合体系组装过程的调控机制。我们的研究结果将有助于揭示纳米棒的取向对材料结构的调控规律，为实验上优化新型高分子－纳米棒复合物材料提供可靠的理论帮助。

围绕着项目总体研究目标，近三年来基于介观的耗散粒子动力学和粗粒化分子动力学方法，以微观分子动力学模拟和量子化学计算方法等手段作为辅助，发展了适合聚合物研究的多尺度模拟方法，对高分子－纳米棒复合体系的组装驱动力和调控机制进行系统研究。（1）在微观尺度表征了聚苯乙烯和聚环氧乙烷在金纳米棒不同晶面上的吸附的动力学过程，明确了在吸附反应过程中纳米棒表面配体的组成和形态演化；明晰具有不同亲疏水性高分子链与纳米棒结合的键合能力和键合模式，明确关键化学结构、溶剂以及各类弱相互作用等因素对组装结构的诱导作用。（2）我们采用粗粒化分子动力学模拟方法，在隐式溶剂的条件下对金纳米棒与柔性高分子链的共组装行为进行探究。通过调控体系中高分子链的链长、金纳米棒的负载量、以及组装路径，可以控制并优化最终得到的组装结构。在不同的高分子链长下，我们能够分别得到具有不同配位数的纳米棒小聚集体，且随着链长的增加，每条高分子链周围配位的金纳米棒数目也依次增加。将这些小聚集体进行进一步的组装，我们最终将得到在更大尺度上不同的组装结构。（3）充分利用“软”的高分子和“硬”的纳米棒的自身特点，开发了能将二者很好结合的、经过改进的耗散粒子动力学的方法深入研究复合体系组装的驱动力，从热力学和动力学上明晰溶剂选择性和静电作用对复合体系组装过程的调控机制。这种金纳米棒与高分子链的共组装方法为实验提供了新的设计思路。