表面接枝聚合物纳米粒子自组装结构与性能调控

Polymer-tethered nanoparticles are extremely important building-blocks in self-assembly, since they incorporate unique properties (such as optic, electric, magnetic, and plasmonic) of inorganic nanoparticles with excellent mechanical properties of organic polymers in one system. But the full understanding of the self-assembly mechanism and the fine-tuning of the structure and property are far from satisfactory, due to the multiscale nature of thermodynamics and dynamics in the self-assembly process of polymer-tethered nanoparticles. In this study, we will combine theoretical/computational and experimental tools and develop new techniques to achieve: (1) Develop new characterization methods to make clear microscopic structure and property of polymer chains tethered on the nanoparticle surface; (2) Develop efficient theoretical/computational and experimental tools that can manifest the physical nature of effective interaction between polymer-tethered nanoparticles; and (3) Clarify the thermodynamic and dynamic influences in the self-assembly process of polymer-tethered nanoparticles. By the successful fulfillment of this study, we will deepen the understanding of self-assembly mechanism of polymer-tethered nanoparticles in different thermodynamic conditions, and put forward new experiments and applications.

接枝聚合物纳米粒子集合了无机纳米粒子独有的光、电、磁、激发子、表面等离子体等特性与聚合物结构易调控、材料易加工等特点，在目前自组装研究领域中占有特殊重要的地位。然而由于该体系的自组装过程涉及微观及介观尺度上复杂热力学性质与动力学过程，因此对其自组装机理的深入认识与结构和性能的精确调控仍远未尽人意。本项目将理论模拟与实验研究有机结合，解决接枝聚合物纳米粒子自组装研究中面临的重要科学问题，包括：（1）发展有效表征表面接枝聚合物链微观性质的方法，明确接枝聚合物纳米粒子表面的微观特性；（2）发展表征及调控接枝聚合物纳米粒子之间有效相互作用的手段；（3）明确接枝聚合物纳米粒子自组装过程中的热力学和动力学因素，从而明晰接枝聚合物纳米粒子自组装的机理，建议新实验、推动新应用。力争取得2-3项在学术界有影响的重要成果，在国际上占有重要一席之地。

在本项目支持下，我们有机结合理论模拟与实验研究，在聚合物接枝链微观结构的表征与调控、接枝聚合物与纳米粒子的无机/有机界面作用机制、以及大分子诱导纳米粒子手性组装结构的设计与构筑等方面取得了系列创新成果，主要进展如下：（1）发展和完善了能够合理描述化学反应的粗粒化模拟方法，在统一的框架下研究了聚合物在纳米粒子表面吸附的热力学与动力学，明确了配体聚合物端基特征对吸附结构的影响。发展了有效表征接枝聚合物纳米粒子之间相互作用的方法，通过对纳米粒子间相互作用强度及作用范围的调控，实现接枝聚合物纳米粒子自组装结构及功能的设计。（2）开发了多洛伦茨函数拆分解析聚合物接枝纳米粒子核磁氢谱的算法，实现了非牺牲性的、实时的、原位检测聚合物接枝密度的定量表征方法。进一步开发了通过核磁弛豫时间表征接枝聚合物刷不同层中链段微观构象的方法，实现了对聚合物接枝密度和微观结构的调控。（3）发现一系列含氧、硫聚合物与金属Al表面的新型作用形式，提出并实现了直接以聚合物为配体用于活泼金属纳米粒子可控合成及稳定方法，开发了具有极高接枝密度的二维聚合物配体与纳米粒子的新型体系。（4）揭示了手性大分子诱导无机纳米粒子手性组装的调控规律，发展了利用手性聚合物、寡肽聚集体等一些列表面接枝大分子诱导纳米粒子手性组装的构筑方法，通过精准调控各向异性纳米粒子的空间取向和位置，实现了构筑长程有序且具有高g-factor手性组装结构的新策略。