复杂大分子可控组装的理论和模拟

项目紧紧围绕重大研究计划"可控自组装体系及其功能化"的重要科学问题，以典型的复杂大分子体系为研究对象，发展面向于可控大分子自组装的粗粒化模拟方法、以场及粒子为基础的超越平均场理论、以及结合全原子的分子场理论方法。在非平衡统计物理和流体力学框架下，与大尺度模拟相结合发展流体力学和动力学平均场方法研究大分子动态自组装。通过这些方法的发展，构建基于软物质物理概念的自组装结构与过程的理论模型，揭示可控自组装的内在机制。通过与实验相结合，希望建立有普适意义的理论和计算模拟方法，推广用于研究各种复杂构筑单元组成的大分子软物质体系可控自组装和动态自组装的规律，并进一步探索其功能。这不仅为大分子自组装、生物大分子动态自组装、自组装的可控与功能预测方面提供了坚实的理论基础和实际指导，也为进一步构建新的自组装体系提供有意义的指导。

本项目发展了研究功能性复杂大分子自组装体系的超越平均场方法及动态自组装的宏观动力学理论，探索面向大分子可控自组装的多尺度模拟和组合模拟方法。从活力物质等角度加深了对非平衡组装动力学的理解。拓展了分子场理论用于研究响应性自组装体系，研究大分子间氢键等弱键与电相互作用的协同规律，认识弱键参与组装的本质和规律。通过理论、模拟与实验相结合，研究调控手段对自组装行为的影响，揭示调控规律。首先，应用非平衡统计力学Fokker-Planck方程研究以自驱动粒子为组装基元的动态自组装，探讨了活力向列相的相变行为和动力学失稳机制。实现微观模型粗粒化，预言有序态在各向同性和向列相转变点附近的失稳。发现描述活力物质向列相态确定性方程存在一个混沌相。同时由于长波失稳，大尺度空间不均匀性形成并发生永不停息演化。从对动力学平均场方程的直接数值计算可以发现，向列相有序区从周围无序介质吸收粒子，生长，分裂，进而消散。基于分子场理论，研究了DNA界面行为。发现不同盐浓度和面密度下，杂化集体行为呈现相互制约与相互促进型两种方式。DNA杂化相互促进的区域存在一级相变。合成光热响应性胶体，构建二维模型体系，Monte Carlo和Brownian dynamics模拟结合，研究二元胶体相分离产生的组装结构。发现在能量耗散速率和能量输入速率竞争调控下，体系呈现宏观相分离、rafts-like岛状结构、环形、同心圆结构、微观相分离和类高温均匀相。另外，发展了耗散粒子动力学、全原子、粗粒化模拟在细胞内吞体系的应用，探索了重要复杂大分子体系与生物膜的自组装机制。系统研究了纳米粒子表面配体对其与生物分子自组装模式的影响，发现了包括受挫包裹、蛋白吸附介导包裹等新颖的作用模式，内吞受表面配体刚性、密度、分布、亲疏水、电性等多因素控制；设计与实现了有医学实用价值的pH响应性、动力学键药物输运系统。详细理解了聚酰胺-胺枝状分子在细胞膜上的吸附、打孔与内吞体逃逸机制，pH值、枝状分子代数、多肽端基修饰等因素将影响作用途径。报道了粒子旋转、膜组分不对称分布等因素对粒子内吞的影响以及纳米碳管的水输运特性。最后，结合理论模拟和实验探索了新颖的自组装体系，包括聚苯乙烯胶体颗粒在电场、温度场下的堆积与结晶，纳米微管受限重组丝蛋白纤维，囊泡在衬底表面的组装与交换，pNIPAM微球的温度、盐双响应控释。