巨型表面活性剂聚合物的合成和多尺度组装

The emergence of giant surfactant offers new opportunities in the construction of various thermodynamic stable and metastable supramolecular nanostructures. This proposal strives to design a new class of poly (giant surfactant)-based hybrid materials to precisely control and rigorously tune their super-structures at multiple length scale (particularly at tens of nanometers) in a better way. Controlled polymerization methods like ring-opening metathesis polymerization (ROMP), “click” chemistry and other kinds of precise organic transformation will be fully employed to design and synthesize the desirable poly (hydrophilic polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS)-polystyrene conjugates). The self-assembly behaviors of resulting macromolecules will be performed in solution, bulk, and thin film state to investigate their supramolecular structure formation and phase behaviors. We will compare poly (giant surfactant) with other kinds of amphiphiles like small molecular surfactants and amphiphilic block copolymers in their intrinsic physical properties to understand the general principle of their hierarchical assembly behaviors. This study will broaden the scope of synthetically available giant surfactants for further systematic investigations on their structure-property relationships, enabling the general implications for giant molecule-based polymer materials and engineering.

巨型表面活性剂的出现为构建热力学稳定和亚稳定的超分子纳米结构提供了新的机会。本项目拟通过设计一类新型的巨型表面活性剂聚合物杂化材料，来实现在多重尺度上（特别是在数十个纳米的尺寸）对这类软物质的超结构的更好调控。本项目将利用可控的高分子化学方法（如开环移位聚合）， “点击”化学和其他精确的有机化学手段来设计合成基于亲水多面体低聚倍半硅氧烷-聚苯乙烯连接物为大分子单体的目标聚合物。在溶液，本体和薄膜三种相态下研究目标产物的多尺度自组装行为，分析其超分子结构和相行为。我们将通过对比巨型表面活性剂聚合物与其他种类两亲分子（如小分子表面活性剂与两亲性嵌段聚合物）在物理性质上的异同来探索此类大分子组装行为的普遍规律，了解其结构与性能之间的内在联系，进一步拓展巨型表面活性剂的分子库，并为巨型分子在高分子材料工程上的应用提供一些新的思路。

巨型表面活性剂泛指功能纳米粒子与高分子的杂化偶联物，是一类重要的巨型分子材料，具有独特的化学结构和物理性质，能够在亚20nm的特征尺寸上形成高度有序的自组装结构。更为有趣的是，通过对这类大分子材料化学成分、拓扑结构和单体序列的精确调控，可以实现多种非常规热力学稳定和亚稳定相结构的形成。因此，进一步拓展巨型表面活性剂和巨型分子的材料库，并深入理解其结构与性能的内在联系，将为探索这类材料在化工、生命和信息产业的实际应用提供重要的思路。..本项目利用数种高效的“点击”化学反应和开环移位聚合方法理性设计和成功制备了一系列基于POSS粒子的新型巨型表面活性剂聚合物与两亲巨型分子（Janus 粒子）聚合物。通过对这类大分子在溶液和本体态聚集体结构与相行为的研究，初步建立了其结构与性能的基本关系，实现了利用不同途径对其多尺度超分子结构的成功调控，并在特定的条件下得到了一系列非常规的聚集态结构（如两亲巨型分子聚合物可在THF/水的混合溶液中形成单分子或者寡分子胶束等）。在此基础上进一步制备了更多种类具有精确结构的功能巨型分子和巨型表面活性剂分子，通过对其中POSS粒子单体序列或整个大分子几何形状的调整，成功得到了许多软物质中非常稀有的相结构，比如Frank-Kasper Sigma 相和具有十二重对称结构的准晶等。这些工作对研究和理解合成高分子中单体序列和分子拓扑结构的作用均产生了重要的意义..此外，本项目还初步探索了数种巨型表面活性剂功能材料在矿物泡沫浮选和组织工程领域的潜在应用。在本项目的支持下，已经以第一/通讯作者身份在Angew. Chem. Int. Ed., ACS Cent. Sci., ACS Macro Lett.等主流期刊上发表SCI论文6篇，并有数篇相关论文正在投稿和返修中，申请并成功授权专利1项。而凭借相关成果，项目负责人入选四川省学术和技术带头人后备人选（2018）和J. Mater. Chem. B杂志的Emerging Investigator（2020），并受邀担任Materials Express杂志（ASP）副主编（2019-）和Giant杂志（Elsevier）的执行编委（2020-）。