构造分子场论研究高分子凝胶结构与性质的关系

Polymer gels, due to their mechanical elasticity, self-healing ability, biocompatibility and stimuli-responsive behavior, are widely exploited for the design of materials that have potential applications in food industry, medicine, medical therapy, and nano-engineering. Therefore, theoretical studies of polymer gels are not only interesting fundamentally, but also important practically and desirable. However, recent theoretical methods investigating static and dynamic properties are still restricted to phenomenological theories, which limits their application and extension to complex gel systems, a direction leading to design of new materials with high physical performance. To improve gel theories as well as perform a systematic study on gel properties, in the present proposal, we plan to first derive self-consistent field theories and dynamic density functional theories based on the molecular field description, and then apply these methods in a complex organohydrogel system. We will mainly focus on the phase behavior, mechanical properties, dynamic swelling and self-healing properties of gels. In particular, we believe that constructing dynamic density functional theory is necessary step towards an improved field theory for the full description of viscoelastic properties of polymer gels. We also hope that our study could shed some light on tuning macroscopic properties of polymer gels through the exact control of their microscopic structures.

高分子凝胶由于具有良好的弹性性能，自愈合能力，与生物体相容性以及对刺激的响应能力，被广泛用于食品工业，医药治疗，以及纳米工程等领域。因此凝胶体系的理论研究在学术和实际应用方面都具有重要的意义。目前凝胶理论主要以唯象理论为基础，这严重限制了理论应用的范围，而且不容易扩展到更为复杂的凝胶体系。而构造复杂的凝胶体系是未来设计高性能材料的一个发展方向。因此，为了发展现有的凝胶理论以及系统研究复杂凝胶体系的性质，在本申请项目中，我们将首先基于分子场论推导自洽场和动态密度泛函理论，之后把这些理论用于有机水凝胶体系并研究其性质。我们将主要关注凝胶体系的相行为，力学性质，膨胀过程，以及自愈合行为。我们相信此研究中动态密度泛函理论的建立是为将来构建能够全面描述凝胶粘弹性行为分子场论的必要步骤。同时希望我们的研究将建立起凝胶体系宏观性质和微观结构的桥梁，为实现从微观结构精确控制宏观性质提供启发和指导。

近些年来，高分子网络材料被广泛的用在工程，生物医学以及材料科学等领域，比如超吸水材料，软机器人，可穿戴电子设备，药物传输，组织再生，以及人工关节等等。但是，更传统的固体材料相比，高分子网络材料尤其自身不可避免的缺点，特别是没有足够的刚度和韧性，这极大的限制了高分子网络材料在特定情况下的应用。为了改善网络材料的力学性质，对于高分子网络力学和微观结构关系的研究是非常必要而且有意义的。在本项目的执行期内，我们发展了不可逆规则网络体系和可逆不规则网络体系的自洽场理论，并把这些方法用在了有高分子均聚物和嵌段共聚物组成的网络体系。计算的结果证实了力学性质和高分子网络微观拓扑结构以及体系形态存在紧密的关系。比如我们发现，六方网络比四方网路在溶剂中具有更大的膨胀率，同时这也决定了前者的剪切模量比后者要小。在膨胀和拉伸的过程中，网络材料展现出了各向异性的特性。相比于不同方向的响应，剪切模量更依赖于网络的微观拓扑结构，其各向异性随着溶剂的进一步变良而逐渐消失。网络体系相转变的过程通常会伴随应力不连续的变化，与传统的一级相变的行为类似，通过不连续点时，材料的模量会发生一定的改变，这说明力学模量与体系的形态有一定关系。进一步的自由能分析表明交联点的涨落和其平动熵大小在决定网络体系性质方面起到了关键的作用。我们希望本研究对理解高分子网络体系的相行为和力学性质有帮助，而且给通过高分子网络的微观结构来调控材料的宏观性质带来一定启发。