嵌段共聚物多级自组装的多尺度模拟

发展并利用多尺度计算机模拟方法，研究嵌段共聚物多级自组装结构及演化过程。着眼于两类体系：一是嵌段共聚物在稀溶液中自组装产生非中心对称的胶束，以胶束为基础进一步自组装产生胶束高级结构；二是嵌段共聚物吸附在纳米粒子表面从而诱导出非中心对称的相互作用，以纳米粒子为基础进一步自组装产生纳米粒子高级结构。对这两类体系提出一致的多尺度模拟研究方案：在微观尺度上，以分子动力学方法研究嵌段共聚物的自组装及在纳米粒子表面的吸附；通过构建"平均力势"及几何分析的办法，获取胶束、纳米粒子之间非中心相互作用的势函数；利用获取的势函数，进一步在介观尺度上以耗散粒子动力学研究胶束或纳米粒子的高级自组装。本申请拟解决两大难题：一是胶束、纳米粒子之间非中心相互作用势函数的建立；二是认清嵌段共聚物多级自组装结构的特性。这些信息将为控制嵌段共聚物多级自组装结构及多尺度功能材料的研究提供可靠的理论帮助。

发展并利用多尺度计算机模拟方法，研究了嵌段共聚物多级自组装结构及演化过程。我们发现，可以利用嵌段共聚物在稀溶液中自组装产生非中心对称的胶束，以胶束为基础可以进一步自组装生成胶束自组装高级结构。从嵌段共聚物链微观结构出发，我们结合实验中获得的溶解自由能数据，构建了多嵌段共聚物的粗粒化模型。通过调节嵌段数目、链长、组分比例、溶剂环境等，可以发现在特定条件下，嵌段共聚物会自组装形成具有不同对称结构的补丁粒子。进一步通过热力学及几何分析，我们获取了补丁粒子之间非中心相互作用的势函数；利用获取的势函数，在介观尺度上研究了补丁粒子的多级自组装。我们的模型不但重现了实验中业已发现的补丁粒子螺旋结构聚集体，而且还给出了不同表面覆盖率下补丁粒子其它自组装结构。利用我们建议的嵌段共聚物多级自组装多尺度模拟模型，可以有效地研究复杂结构聚合物体系多级结构的生成及演化规律。这些信息将为控制嵌段共聚物多级自组装结构及多尺度功能材料的研究提供可靠的理论帮助。