基于软补丁胶体粒子自组装的超胶体结构设计与调控

In this proposal, we will develop an approach combining mesoscale dynamics simulations with thermodynamic integration methods, and explore thermodynamically stable and kinetically accessible supracolloidal structures through the rational design of soft patchy particles, especially focus on the design and control of supracolloidal biomimetic and non-close-packed structures based on the biomimetic and atom-mimetic concepts. Using mesoscale dynamics simulations and thermodynamic integration calculations, we will examine the effects of particle softness, patch type, patch specificity, patch number, patch size, and patch arrangement on the thermodynamic stability, dynamic accessibility, and structural characteristics of various desired supracolloidal structures, and elucidate the design principles and the thermodynamic and dynamic mechanisms for the formations of different supracolloidal structures. Our results will reveal how to design and control novel supracolloidal structures through the self-assembly of soft patchy particles, and provide conceptual and theoretical guidance for the design and development of high-performance supracolloidal functional materials.

发展并利用介观动力学模拟与热力学积分相结合的方法，通过合理设计不同类型的软补丁胶体粒子构筑单元，组装获得热力学稳定且动力学可及的超胶体结构。主要借助仿生和仿原子设计理念，实现对超胶体仿生结构以及非紧密堆积结构的设计和调控。探讨软补丁胶体粒子的粒子软硬度、补丁类型、补丁特异性、补丁数目、补丁比例、补丁排列方式等因素对不同目标超胶体结构的热力学稳定性、动力学可及性以及结构特征的影响。明晰不同超胶体结构的设计规律、热力学调控因素以及动力学形成机理。揭示基于软补丁胶体粒子自组装构筑各种新颖的超胶体结构的设计原则与调控机制，为新型超胶体功能材料的设计和开发提供新的思路和理论依据。

按照项目计划书开展研究。针对具有形状或/和表面各向异性特性的聚合物胶体粒子体系，发展了一系列新型补丁粒子模型及介观动力学模拟方法，开发了相应的多GPU并行模拟程序，为各向异性胶体粒子体系结构和动力学研究提供了高效可行的模拟方案。借助这些模型和方法，通过合理设计并调节软补丁胶体粒子的粒子和补丁性质，预测了一系列新颖的仿生纳米结构以及二维和三维非紧密堆积晶体结构，明晰了这些超胶体结构的形成规律及动力学机理，揭示了利用软补丁胶体粒子自下而上自组装策略构筑各种超胶体结构的设计原则与调控机制。与实验密切合作，验证了上述模型及方法的有效性，给出了实验上实现软补丁胶体粒子制备以及粒子硬度调控的可行策略，为实验上理解软补丁胶体粒子自组装的本质和规律提供了理论帮助。这些研究结果为新型功能化超胶体材料的设计和开发提供了新的思路和理论依据。