介观模拟方法研究手性聚合物的多级自组装行为

In polymer fields, chirality transfer from one length scale to another is an interdisciplinary problem associated with the asymmetric chemistry and asymmetric physics. Study on this issue is of crucial importance to understand the formation of chiral supramolecular structures. However, chirality transfer is neither automatic nor necessary, and its rule is not clear. In this proposal, we will first develop a mesoscopic simulation method that combines self-consistent field theory based on freely jointed chain model with theory of distortion energy. This developed method will then be applied to study the self-assembly behavior of chiral polymers. Influences of the compositions, polymerization degrees, and interaction strengths on the chiral supramolecular structures as well as their elastic properties will be investigated. The ultimate aim of the proposal is to reproduce the available experimental phenomena and reveal the universal rules and physical mechanisms behind the chirality transfer in polymer systems.

聚合物从小尺度到大尺度的手性传递是一个涉及不对称化学和不对称物理的基础科学问题，其研究对于理解手性超分子结构的形成具有重要的意义。然而，聚合物的手性传递是一个复杂的过程，其规律尚不明确。本申请拟结合基于自由结合链的自洽场理论和畸变自由能理论，发展一种能够描述手性聚合物的介观模拟方法，用于研究手性聚合物形成手性超分子结构的自组装行为，探讨组分比例、聚合度和作用强度等因素对手性超分子结构及其弹性性能的影响，以期重现相关实验现象，并揭示聚合物手性传递的普适性规律及相关机理。

本项目主要利用自洽场理论方法，并结合基于粒子的模拟方法，研究了共聚物体系的多级自组装行为，取得了以下主要研究成果：(1) 针对手性聚合物体系中存在着氢键等非共价键作用，发展了耦合Yukawa势、能够描述氢键等非共价键作用的自洽场理论，研究了基于氢键的超分子共聚物体系，揭示了氢键强度、氢键密度等对自组装结构的影响，并获得了与实验一致的结果；(2) 针对手性聚合物链的刚性特征和聚合物间的手性作用，发展了耦合Frank畸变能的自洽场理论，研究了含手性链的刚-柔共聚物的自组装，计算得到了具有微观手性的组装体结构，为手性聚合物多级自组装的研究提供了计算方法；(3) 结合自洽场理论、布朗动力学和耗散粒子动力学等方法，以刚性手性聚合物为主要基元，通过分子结构设计、逐步组装方式和界面诱导组装等，实现了不同类型的多级组装体结构的可控制备，为不同类型的多级结构的设计提供了思路和方案。项目的研究成果发表在Angew Chem Int Ed (1篇)、Soft Matter (1篇)、Langmuir (1篇)、Polymer (2篇)、J Chem Phys (1篇)、Macromol Theory Simul (1篇)、高分子学报(1篇)等期刊上。