高分子刷/纳米颗粒体系中位阻效应的分子模拟研究

高分子刷/纳米颗粒体系中高分子刷由于能自动阻碍颗粒凝聚广泛应用于稳定纳米颗粒的分散体系，控制界面物性，改善界面润湿性能，提高材料的生物相溶性，调控体系的聚集形态等而成为研究热点。位阻效应是了解高分子刷/纳米颗粒体系稳定的关键，因此研究高分子刷/纳米颗粒体系中的位阻效应具有重要的科学意义和实用价值。本课题将采用理论和模拟方法研究不同大小的纳米颗粒在高分子刷中的空间分布及其位阻效应。采用分子模拟方法研究聚电解质刷(即带电高分子刷)与带电颗粒之间的静电耦合作用，讨论静电吸附与耗尽效应及其转变的规律。探索剪切外场存在对位阻效应的影响。揭示聚电解质刷/磁性颗粒体系中产生特殊磁性的原因。预计能找到影响高分子刷/纳米颗粒体系中位阻效应的各种因素，了解更复杂体系中的位阻效应，并对高分子刷软表面诱导的自组装行为进行一定预测。本项目的开展对于实验制备纳米材料及理解高分子刷/纳米颗粒体系的稳定性都具有重要意义。

在分子刷/纳米颗粒体系中由于高分子刷能自动阻碍颗粒凝聚而广泛应用于稳定纳米颗粒、控制界面物性、改善界面润湿性能等，同时位阻效应是了解高分子刷/纳米颗粒体系稳定性的关键，因此研究高分子刷/纳米颗粒体系中的位阻效应具有重要的科学意义。我们采用分子动力学(MD)方法研究了不同大小的纳米颗粒在半刚性高分子刷中的空间分布及其位阻效应，发现纳米颗粒的集聚行为与大小纳米颗粒的尺寸之比(q)与纳米颗粒/高分子刷相互作用能大小密切相关。当相互作用能比较弱时纳米颗粒仅仅为一般的集聚行为；当相互作用能为中等强度时不同大小的纳米颗粒产生了明确的相分离，即大尺寸的纳米颗粒分布在小尺寸的纳米颗粒表面；而对于较强相互作用能时小尺寸纳米颗粒产生了类晶体化结构，这提供了一种探索纳米颗粒集聚形态新的途径。采用MD方法研究了高分子刷/纳米棒体系中高分子刷诱导纳米棒发生纳米棒取向转变。发现在非常低的嫁接密度时由于纳米棒与高分子刷存在相互作用从而引起纳米棒的集聚；随着纳米棒数目增加，纳米棒的分布又在全空间变成均匀；当然随着嫁接密度的进一步增加，纳米棒的取向又从平行于嫁接平面变成垂直于嫁接平面；而对于较大数目的纳米棒，纳米棒又变成平行于嫁接平面。采用Monte Carlo方法研究了具有磁性的颗粒加到聚电解质刷后，形成聚电解质刷/磁性颗粒体系，讨论产生磁性的原因及其影响磁性强弱的因素。其本质可能是聚电解质刷与磁性颗粒存在相互作用，这种相互作用影响着磁性颗粒在空间分布，从而产生其特殊的磁性。这些研究能够帮助我们加深对高分子刷/纳米颗粒体系中位阻效应的了解。资助期间发表论文“Soft Matter”6篇、“J Phys Chem B” 2篇、“J Chem Phys”2篇、“Langmuir”1篇、“Polymer”4篇、“J Polym Sci Part B”3篇。其中关于高分子刷诱导纳米颗粒相分离与晶体化结构被作为Soft Matter期刊封面进行介绍。