聚合物限域共混纳米沉淀自组装行为及机理研究

Micro-/nano-structure has exerted a great impact on the functionality and applications of polymer nanoparticles (NPs). The challenge in the preparation of polymer NPs is to find a simple, cost-effective and less time-consuming technique with tunable ability in structure construction. Here, we seek to advance a novel nanomanufacturing process, termed Confined Mixing Induced Nanoprecipitation (CMIN), to generate polymer NPs with broad tunability. In this proposal, we will systematically pursue solutions to study the nanoprecipitation process, including the physics of self-assembly, hierarchical behavior of combining chemical reaction with self-assembly and evolution of nanostructure. This work will lead to a greater understanding of nanoscale polymer self-assembly during the process of CMIN, as well as construct a broad range of polymer with precisely controlled structures. Therefore, this project will not only develop a novel self-assembly theory, but also provide a versatile strategy to produce polymer NPs with efficiency required to realize their technological potential.

聚合物纳米材料的微纳结构决定了其性能及应用前景。随着纳米材料的广泛应用，发展新型自组装技术，实现聚合物微纳结构的精细调控是纳米领域的一个重大挑战，并且有待更深入地研究。本项目拟建立聚合物限域共混纳米沉淀的自组装行为规律及机理，实现有序、多样和稳定的聚合物微纳结构调控。本项目将系统研究微观混合动力驱使下，组装基元相互作用的协同效应及机制；发展流动过程化学反应与自组装同步耦合的多级多组分构建能力；高效高选择性地构建不同尺度和形貌的聚合物有序组装体。本项目旨在有机地结合流动和自组装过程，发展加速组装的新理论和新方法，为快速、高效、多层次构建聚合物微纳结构提供新途径。因此，本项目不仅是对自组装理论的丰富，也将为聚合物纳米材料的快速可控制备提供崭新的技术手段。

限域共混纳米沉淀是一种可显著加速聚合物自组装过程的新型制备方法，因其混合时间在毫秒尺度，所以又称瞬时纳米沉淀。本项目通过选取单组分聚合物、多组分聚合物、聚合物-无机纳米粒子等不同的组装单元作为实验模型，系统研究了微观混合动力驱使下组装基元相互作用的协同效应及机制发展。实验表明，限域共混纳米沉淀过程中溶有聚合物的良溶剂液流和不良溶剂液流在受限空间中剧烈混合，聚合物快速达到过饱和而析出成型，自组装过程受动力学控制。改变聚合物链结构、溶剂种类、混合比例等参数可有效地调节组装过程，从而影响聚合物成型颗粒的微纳结构。选择动力学匹配的快速化学反应，将化学反应与自组装同步耦合可构建多级多组分纳米复合结构。在上述理论和实验指导下，聚合物纳米微球、疏水分子-聚合物复合材料、纳米粒子-聚合物复合材料、聚合物负载纳米金属颗粒等一系列不同尺度和形貌的聚合物有序组装体被成功制备。最后通过对比其他自助装方法，确立了瞬时纳米沉淀技术在高效、高选择性结构调控上具有快速制备、可量化生产、能耗低、可控构建等优势。该研究项目的实施不仅丰富了现有的自组装理论，也为制备具有催化、生医等应用潜力的纳米材料提供了一条新的构建途径。