聚合物纳米粒子混合体系的新场理论模型及应用

Polymer nanocomposties (PNCs) are widely used as advanced materials with enhanced mechanical, electrical or optical properties. Understanding, predicting and controlling the formation of the assembling structures of PNCs is one of the keys in designing and realizing the desired macroscopic performances. The self-consistent field theory is a powerful approach in studing the mesoscopic structures of multicomponent polymeric systems. However, the existent field-based theoretical models for PNCs have serious drawbacks. In this proposal, we plan to develop new pure field-based models for PNCs which will be used to predict the self-assembly structures and analyze, thermodynamically, the underlying mechanism of the structural variations. Preliminary results show that our idea and approach are feasible. We will develop, in steps, the models for PNCs systems with particles of different types, e.g., hard sphere, penetrable sphere, chemically-anisotropic sphere, ellipsoid or rod, sphere with grafted chains, etc. We will study the influence of particle size, particle shape, depletion thickness, chemical properties of particle surface, the type, length and amount of grafting chains, etc. on the formation of the self-assembly structures.

聚合物纳米粒子复合材料（polymer nanocomposites, PNCs）有着非常广泛的应用。理解、预测和控制PNCs材料自组装结构的形成是材料设计以达成所期望性能的重要一环。虽然自洽场理论在预测聚合物类材料的自组装结构方面有很多优势，但是目前几种针对PNCs的场理论模型都存在很大的缺陷。本项目提出了发展一套合理、高效的场理论模型，来研究各种复杂PNCs体系的自组装结构的形成和热力学驱动机理。前期预研的结果表明，本项目所提出的思路和方法切实可行。我们将逐步发展和完善包含各种类型粒子的PNCs体系的场理论模型，如简单球形粒子、有取向性粒子以及嫁接有聚合物长链的粒子。我们将研究在各种聚合物介质环境下，粒子大小、depletion层厚度、粒子表面化学性质、粒子形状、粒子表面嫁接聚合物链的长度、数量、种类等等因素对体系自组装结构形成与变化的影响。

本项目的主要目标是研究聚合物/胶体粒子混合体系的自组装结构与动力学。我们在如下五个方面取得了不错的进展。1）聚合物/胶体粒子体系新的场理论模型：我们发展了一套新的描述聚合物/胶体粒子体系自组装的场理论模型。该方法在场理论框架下实现了粒子描述的离散化，这是场理论应用的一个挑战。并且该方法可以很好的控制体系中粒子的数目，能够充分体现聚合物-粒子界面作用的细节。2）聚合物刷结构/胶体粒子体系的组装和动力学：我们发现活性胶体粒子会导致聚合物刷的反常拉伸；在准二维条件下会使聚合物链形成bundle，并像生物鞭毛一样摆动；表面嫁接聚合物链的胶体放在活性粒子浴中，链会自发产生集体的对称性破缺，并诱导活性粒子环流的产生以及胶体粒子的持续定向转动。这个发现为设计制造柔软可形变微观动力器件提供了新的思路和途径。3）囊泡（环形链）/胶体粒子的动态组装：我们设计使用囊泡（环形聚合物链）来包裹活性胶体粒子，从而组装成一个可形变的活性胶体细胞（Active colloidal cell）。我们研究了其自组装行为，研究结果对形变在活性物质自组装过程中的影响提供了新的认识，为深入研究各种可形变活性物质的集体行为提供了参考。4）聚合物在活性粒子浴中的Globule-stretch相变：在传统的聚合物链G-S转变研究中，主要调控手段是改变温度、pH值或施加剪切流场或单分子力。而我们的研究提出了一种新的调控思路，就是通过在体系中加入活性粒子，以及改变活性粒子的活性来达到动态调节链的G-S转变。5）模型胶体链的玻璃化转变：我们发展了描述链状分子的微观NLE理论，并从理论和模拟上全面探索了连接性对玻璃化转变的影响，研究了链长、键长和单体尺寸的不同作用，揭示了大分子玻璃和小分子玻璃的差异。