Janus纳米粒子在嵌段共聚物中的定向与协同自组装：有序超分子结构及其力学性能

本项目旨在运用多尺度的计算机模拟方法，研究双亲性Janus纳米粒子在嵌段共聚物体系中定向自组装所形成的有序超分子结构，并预报基于该结构的微观和宏观力学性能，从而阐明此类纳米复合体系结构-性能之间的联系。首先采用耗散粒子动力学和相场/粒子混合模型在不同尺度上研究柱状，层状和球状Janus纳米粒子在具有不同分子构筑的嵌段共聚物中定向自组装的动力学过程，机理，以及所形成的超分子有序结构，同时深入探讨熵和焓两种能量形式分别对该结构的影响。以此超分子结构为基础，采用格子弹簧理论计算其应力场，应变场，杨氏模量等力学行为。同时依照能量基的断裂判据，预报该纳米复合体系中裂纹的形成机理，发展过程及纳米粒子对此过程的影响。为探索该纳米复合体系中超分子结构的调控手段及结构-性能之间的联系，指导和改进相应的实验设计，开发新型的功能纳米复合材料奠定重要基础。希望从中能发展出研究该问题的独特方法，形成源创性成果。

发展和运用多尺度的计算机模拟方法，深入研究了双亲性Janus纳米粒子在嵌段共聚物体系中定向自组装所形成的有序超结构，以及基于该结构的性能等，相关工作总结如下：1）采用介尺度模拟方法模拟研究了对称Janus纳米粒子在非对称嵌段聚合物体系中的共组装行为，深入揭示了该过程中的嵌段链熵效应和界面拓扑结构的影响，同时开发了LSM模型对其微观和宏观力学行为进行了深入的模拟分析。2）综合运用耗散粒子动力学模拟和时域有限差分技术，发现了Janus纳米粒子在刚性-半刚性嵌段聚合物中独特的熵效应，并计算了其作为光子晶体材料时的光响应性。揭示了聚合物链刚性在精确调控非均相材料界面组装结构方面的重要潜在应用，并且为嵌段共聚物基光子晶体的设计提供了理论依据。3）利用双亲性Janus纳米粒子独特的界面活化性质，通过在其表面接枝长短不同的高分子链，构筑了一种具有力学响应性的新型界面纳米粒子复合体系，进一步建立了基于理想高分子链弹性理论的模型对该体系进行了深入的理论剖析，从而揭示该刺激-响应行为本质上是一种熵效应，且链刚度引发的熵变在该体系多级结构的形成与转变中起到主导作用。4）提出了一种可实现超胶体螺旋构筑的最简化补丁粒子设计法则，并采用基于布朗动力学的粗粒化模拟方法对该类新型补丁粒子的组装结构进行了系统的模拟研究，进而深入揭示了超胶体化学反应在理解超分子化学反应动力学机理方面的重要潜在应用。5）开发了研究含Janus 纳米棒的两相高分子共混体系之剪切流变行为的相场\粒子场混合模拟模型。运用该模型系统模拟了施加剪切场后非平衡条件下Janus纳米棒在二元聚合物共混体系中诱导组装结构的演变动力学行为，发现纳米棒表面两组分的面积比对其剪切动力学行为有很大的影响，并首次确认当两组分比例相同时体系的剪切动力学会得到最强的阻滞效应。6）适当探索了其他功能纳米粒子与典型的软物质体系相互作用的过程，以图发展出调控纳米粒子与聚合物乃至软物质体系相互作用的更多有效途径，为新型功能材料的开发提供理论指导。7) 该项目在执行期间共发表与之相关的通讯作者SCI收录文章19篇,包括IF>10.0:5篇；10>IF>7.0:4篇；7.0>IF>5.0:6篇。获邀以第一兼唯一通讯作者为Prog Polym Sci撰写综述文章一篇。同时应权威学术出版机构Wiley出版社的邀约组织来自8个国家的优秀科学家正在共同编写学术专著一部。