软粒子分散系介电模型的构建及界面信息的介电谱表征

Soft particles have been applied in many fields such as colloids, multifunctional materials, medicine, catalysis and synthesis. Most of its studies are focus on preparation and characterization; however, rarely contribute to the basic problems, e.g. the physical properties of interface in soft particle suspensions. In this project, dielectric spectroscopy is used to study the inner information of soft particles. We bring characteristic quantity of soft layers in Possion-Boltzman and Navier-stokes equations to modify the dielectric models of hard-particles and core-shell particles, and then obtain the relationship between complex conductivity, which can be gained by dielectric measurement, and interface electric potential distributions in modified models. Much information such as soft particle structures, electrodynamic properties of interface between particles and medium are always measured traditionally by individual experimental technique. However, combining the modified models and dielectric parameters that obtained by dielectric analysis, these information can be acquired superiorly. Moreover, the analysis method used in project will be expanded into the application of on-line monitoring of soft particles suspensions.

软粒子在胶体、生物材料、催化等领域都具有很深的应用背景，然而，目前的研究大都集中在制备和表征上，而很少关注软粒子体系中与界面现象相关的物理化学问题，现有的研究也是半定量的，其瓶颈在于其实验基础的局限性：建立在静电学基础上的测量和解析难以获取更多的复杂体系内部的信息。本项目提出用介电弛豫谱方法探测新型软粒子内部各种信息，基于交流电场下的基本原理，结合了静电学的基本理论，在现有描述核壳结构粒子界面电动力学性质的Possion-Boltzman方程和Navier-stokes方程中加入软层的特征量，建立了介电谱可获得的复电导率与模型中的界面电势分布等参数表达式之间的关联；通过将程序化的模型与详尽解析的介电参数相结合，得到需要很多单独的实验才可以获得的粒子结构、介质以及粒子和介质界面处的电动力学信息，为开发新型材料提供理论依据。将该方法拓展至软粒子的在线监测，为介电谱表征方法提供一种新思路。

新胶体体系的多样化使得本来就存在着的界面信息表征的不足更显突出。尽管物理手段和模拟技术的进步会使其得到一些弥补，但依然停留在定性阶段，而对于所谓软粒子分散系大都束手无策。难以定量地获取软粒子分散系内部的和界面的信息。本项目利用宽频介电弛豫谱重点研究了四类体系：聚电解质球刷分散系，高分子凝胶分散系，表面活性剂聚集体以及聚电解质溶液，通过建立模型探讨了解决表征问题之可能性。.项目执行期间，发表学术期刊论文35篇，在国内外学术会议上发表论文25篇，超出了预期目标。重要结果如下：.1.球型聚电解质刷(SPBs)介电模型的建立：在描述核壳粒子界面电动力学的方程上加入软层的特征量，建立了软粒子体系复电导率与界面电势分布之间关系的理论式，成功地描述了聚电解质球刷体系界面电现象；.2.温敏性微凝胶相转移过程的监测和介电模型解析：研究了PNIAPM温敏性水凝胶体系的相转变的浓度依赖性，观察到两个温度依赖的介电弛豫过程并提出了弛豫的机制；给出了凝胶团塌缩成微凝胶球过程的电性质、体积变化、微结构变化等物理化学特征；.3.微凝胶体积相转变前后水合分子数的定量化：结合 Cavell 公式定量地求得了PNIPAM 微凝胶悬浮液的体积相转变温度前后微凝胶结合水的个数，这对定量复杂生物过程水分子具有重要意义；.4.典型亲/疏水支链的聚电解质链构象：借鉴柔性链双电层理论，建立了获取了聚电解质溶液的链构象以及链周边的电参数的方法：通过理论解析PAA、PAA-g-dodecyl、PAA-g-PEO溶液的介电谱，预测了不同亲/疏水性支链的聚电解质溶液在不同酸度和不良溶剂中的链构象，分析了反离子空间分布、静电屏蔽以及空间位阻对构象的影响；.5.表面活性剂聚集结构的模型化解析方法：通过研究微乳液和胶束等自组织体系在不同温度、浓度和组分极性下的介电性质，完善了球形和柱形分散系的解析方法，揭示了聚集过程的驱动力和受限空间中的液体的弛豫动力学；.6.尿素诱导蛋白变性的作用机理：以PIMPAM为蛋白模型物，通过分析介电参数的温度依赖性发现了PIMPAM的LCST随尿素浓度的变化规律，并提出尿素代替水直接和PNIPAM键合的作用机制，据此推测尿素诱导蛋白变性机理。