无机纳米粒子与嵌段共聚物三维软受限下共组装的实验与计算机模拟研究

Inorganic nanoparticles/block copolymer hybrid composites possess excellent optical, electrical, and magnetic properties, which have important applications in biomedicine, photoelectrical materials and catalytic materials. However, the properties of this type of material depend not only on the properties of inorganic nanoparticles and block copolymer, but also on the spatial distribution, arrangement, and orientation of the nanoparticles in the polymer matrix. Therefore, it is very important to achieve the precise control of the distribution and arrangement of nanoparticles in polymer matrix. In this project, we plan to select the inorganic nanoparticles such as spherical nanoparticle, nanorod/nanowire, nanosheet to co-assemble with block copolymer under three-dimensional soft confinement. By combination of experiments and Monte Carlo simulations, we plan to reveal the physical mechanism that dominates the distribution and arrangement of nanoparticles in the block copolymer matrix, which can enhance the understanding of the confined co-assembly of inorganic nanoparticles/block copolymer in emulsion droplets. Finally, the results of this project can provide theoretical supports for the design of the organic/inorganic hybrid materials.

嵌段共聚物/无机纳米粒子杂化材料具有优异光、电、磁等方面的性能，在生物医药、光电材料、催化材料等领域具有重要应用价值，已成为备受关注的研究热点。然而，这类材料的性能不仅取决于嵌段共聚物和纳米粒子的固有性质，还很大程度上取决于纳米粒子在组装体中的空间分布、排列及取向，因此实现纳米粒子分布和定位的精确可控具有重要意义。本项目拟选用纳米球、纳米棒（线）、纳米片等无机功能纳米粒子与嵌段共聚物在三维软受限环境中共组装制备杂化材料，通过实验与Monte Carlo计算机模拟相结合，阐明控制无机纳米粒子在高分子基体中分布、排列及取向的内在物理机制，加深对无机纳米粒子/嵌段共聚物软受限组装的理解，为制备有序有机/无机纳米杂化材料提供理论支持。

嵌段共聚物/无机纳米粒子杂化材料具有优异光、电、磁等方面的性能，在生物医药、光电材料、催化材料等领域具有重要应用价值，已成为备受关注的研究热点。然而，这类材料的性能不仅取决于嵌段共聚物和纳米粒子的固有性质，还很大程度上取决于纳米粒子在组装体中的空间分布、排列及取向，因此实现纳米粒子分布和定位的精确可控具有重要意义。. （1）项目团队通过对无机功能纳米粒子尺寸、表面配体调控，精确调控其与嵌段共聚物基体在共组装过程中的熵/焓作用，并通过嵌段共聚物链结构与乳液表面性质的调控，可获得各类嵌段共聚物规则组装结构为模板与上述无机功能纳米粒子共组装，成功实现了无机纳米粒子在嵌段共聚物组装体上的长程有序的规则列阵排列，获得了纳米粒子在聚合物组装基体上形成长程有序的“圆环列阵”及“类石墨烯”列阵排列结构。.（2）项目团队还对嵌段共聚物乳液受限的自组装行为进行研究，明确其组装机理及组装结构调控因素。我们合成了一系列带有光刺激响应偶氮官能团的表面活性剂（AzoCx），该表面活性剂分别在365 nm和420nm光照下偶氮官能团能够发生顺反构象转变，从而实现对聚苯乙烯（PS）和聚4-乙烯吡啶（P4VP）两种聚合物链段亲和性的可逆切换。当PS-b-P4VP嵌段共聚物在带有AzoCx表面活性剂的水相中自组装形成聚合物粒子，该聚合物粒子可通过不同波长光辐照（365 nm或420nm），精确控制聚合物组装体结构的可逆转变，可用于光控药物缓释。.（3）将无机功能纳米粒子与嵌段共聚物引入到乳液液滴内，在这种三维软受限环境下进行共组装，当选用特定表面活性剂诱发界面不稳定性，嵌段共聚物可组装成聚合物囊泡，从而实现了纳米粒子的高效封装。