柔性及聚电解质类高分子伸展链构象转变及矿化研究

The preparation methods of stretched polymer chain and corresponding AFM characterizing technique are far behind, and it is doubted for the conformation transition mechanism of stretched polymer chains under different external fields, which hinder the research schedule of polymer single chain condensed matter. In the approaching project, dilute solution high-speed spin coating method is used to produce the stress gradient field and evaporate the solvent evaporation rapidly, capture the isolated polymer stretched chain on the mica substrate surface from its dilute solution, then prepare stretched polymer chains of methyl acrylates flexible and poly 2-vinyl pyridine (P2VP) polyelectolyte category; two-dimensional conformation transition and self-assembly mechanism of different polymer stretched chains under external field will be observed ex-situ by AFM tip scratching hole relocation technology; intend to prepare the specific structures of gold nanomaterials by using P2VP polymer stretched chain or surface micelles as templates, and the corresponding molecular chains’ mineralization mechanisms are put forward simultaneously. Study on the preparation and conformation transition of stretched polymer chain improves comprehension on the movement mechanism of molecular chains in molecular level, which will provide theoretical foundation for preparing functional polymer materials such as molecualr switch, environmental sensitive sensors, targeted drug, nanotemplate etc; the mineralization technique of P2VP molecular chain has a higher machining accuracy less than 10 nm, which will has potential application prospect in the fields of integrated circuit, nanometer device, unimolecular electronic equipment.

现有高分子伸展链制备方法及相应的原子力显微镜（AFM）表征技术相对滞后，获得的外场作用下高分子伸展链的构象转变机理仍存在质疑，阻碍高分子单链凝聚态的研究进度。项目拟采用稀溶液高速旋转涂膜法利用应力梯度场并使溶剂迅速蒸发，将孤立于稀溶液中的分子链捕捉在云母基底表面，制备含聚甲基丙烯酸酯（PMMA）类柔性和含聚2-乙烯基吡啶（P2VP）聚电解质类高分子伸展链；采用AFM针尖打孔定位技术离位跟踪观察不同外场作用下高分子伸展链的二维构象转变路径及其自组装机理；以P2VP类高分子伸展链或表面胶束做模板制备特定结构的金纳米材料并提出相应的分子链矿化机理。研究高分子伸展链的制备和构象转变可以从分子水平上理解单分子链的运动机理，为制备分子开关、环境敏感型传感器、靶向药物、纳米模板等功能高分子提供理论基础；P2VP分子链矿化技术具有小于10 nm的加工精度，在集成电路、纳米器件、单分子电子设备领域具有应用前景。

现有高分子伸展链制备方法及相应的原子力显微镜（AFM）表征技术相对滞后，获得的外场作用下高分子伸展链的构象转变机理仍存在质疑，阻碍了高分子单链凝聚态的研究进度。由此，项目以解决高分子单链的制备和表征为主线，克服了传统制备和表征方法的局限性。项目采用稀溶液高速旋转涂膜法使溶剂迅速蒸发，将孤立于稀溶液中的高分子链迅速捕捉在云母基底表面，成功制备了聚甲基丙烯酸酯（PMMA）类柔性高分子伸展链，实验表明，浓度为1×10-6的PS-b -PMMA甲苯溶液可以在云母基底表面制备出高度为0.2 nm、长度为100 nm ~300 nm的PMMA伸展链；并采用AFM针尖打孔定位技术离位跟踪观察不同外场作用下高分子伸展链的二维构象转变路径及其自组装机理。除此之外，项目在相近的方向又进行了拓展，在原位反应增强高分子复合材料方面，提出了硅酸钠水玻璃反应性增强聚氨酯（PU）复合材料，通过原位反应实现了微米级二氧化硅球对聚氨酯基体材料的增强作用，同时生产的具有球形缝隙结构有效消耗了聚氨酯反应产生的大量热，有效降低了聚氨酯材料的最高反应温度。在石墨烯基复合材料的制备领域，基于开发的扩散驱动层层自组装技术制备了三维多孔石墨烯/聚苯胺（rGO/PANI）纳米复合材料，在对称性两电极超级电容器中实现了438.8 F g-1高比容量和良好的循环稳定性。通过项目的实施，在分子水平上解决了高分子伸展链的制备和构象转变的研究瓶颈，开发了离位定位观察技术解决了外场作用下单链构象转变过程的离位跟踪观察，为理解单分子链构象转变机理提供了关键技术。项目在相近方向上，开发了原位反应增强二氧化硅增强聚氨酯复合材料制备技术，成功制备了低反应热的高性能聚氨酯复合材料。另外，基于开发的扩散驱动层层自组装技术在制备三维石墨烯基复合材料方面具有很好的应用前景，为新型储能复合材料的制备提供了制备新技术和理论基础。