多价相互作用的加和规律及其在材料制备方面的应用

Multivalency is prevalent in nature, especially in complicated biological systems. However, it's a challenging research subject to unveil the principles governing the quantitative addition of multiple intermolecular interactions, and so is to apply the principles to construct macroscopic materials where the strengh of the macroscopic material could be (quasi)quantitatively interpreted by the intermolecular interactions. Based on previous knowledge and experience, we propose to study quantitatively the fundamentals underlining the accumulation of multiple weak intermolecular interactions with experimental evidences, and further to construct macroscopic supramolecular materials with the guidance of the unveiled principles. The supramolecular interactions between cyclodextrin and its various guest molecules would be employed in this project. And the multivalent skeleton would be graphene, PAMAM dentrimer and poly(acrylamide). In so doing, we expect to establish connections between the macroscopic mechanical strength of the fabricated materials with molecular-level information encoded by multivalency. In addition, we anticipate obtaining supramolecular materials with advantageous properties such as tunability, reversibility, and being dynamic by applying the indications of the theory to experimental designs.

多价相互作用普遍存在于自然界中，是复杂的生物体系的重要特征。深刻认识多价作用的规律，并运用这些规律制备具有先进功能的人工材料，是一项具有挑战性的课题。基于已经取得的初步研究成果，本项目提出，首先利用多肽分子与环糊精自组装单层膜的作用，结合现有的多价作用理论，用实验结果定量地研究多价作用结合常数的加和规律。在此基础上进行材料设计与制备：发展以石墨烯纳米片层、PAMAM（polyamidoamine）树枝状聚合物、聚丙烯酸、聚丙烯酰胺等高分子为骨架的多价构筑基元，选择合适的官能团，以制备宏观尺度的超分子复合材料。研究宏观材料强度与构筑基元界面上分子水平的结合信息之间的关系。最终在实验的基础上建立适用于宏观材料的理论模型，（半）定量地揭示超分子复合材料的宏观强度与构筑基元界面上分子水平作用强度、作用点密度，官能团数目等指标的联系。同时得到一系列强度可调节、具有动态可逆，或自修复特性的超分子材料。

本项目对超分子多价作用的加和方式及其在材料中的应用进行了研究。超分子多价作用是生物体中超分子现象的普遍作用方式，多价作用于超分子体系的选择性，可逆性紧密相关。本项目利用人工合成的分子作为生物体内超分子作用的模型，对人工合成的超分子体系进行系统研究。..研究内容有三个部分。第一部分内容是，利用环糊精官能团之间超分子作用的累加，制备了超分子水凝胶，研究了超分子多价作用数目与水凝胶材料流变特性之间的关联。进而利用制备的水凝胶作用分子可控扩散的基质，通过水凝胶中的主客体作用调节了分子的扩散速率。研究表明，环糊精之间相互作用的累积复合超分子多价作用的规律，可以从分子设计的层面系统地通过调节分子间作用力的数目密度调节水凝胶材料的流变特性。第二部分是，在聚丙烯酸-环糊精超分子水凝胶基质中引入石墨烯片层。石墨烯的加入破坏了超分子水凝胶直接的作用力，降低了超分子材料的流变特性，影响了超分子水凝胶的微观结构。利用石墨烯的光热转换特性，可以制备光响应的复合水凝胶材料。第三部分是，以压电高分子PVDF-HFP作为基质，利用化学修饰的rGO作为填料，制备了具有发电与储电双重功能的复合薄膜材料。研究了界面相容性，及超分子作用的强弱，对材料介电特性的影响。以上的研究结果表明，复合材料组分之间超分子作用的强弱是符合多价作用的规律的，且超分子作用的强弱极大地影响材料的机械特性和电学性质。通过对复合材料中组分间超分子多价作用的设计和调控，可以有效地优化材料性质。