两性分子和纳米颗粒在碳纳米材料模板上的自组装

Amphiphiles and amphiphilic nanoparticles can self-assemble into various structures in different conditions. Adding other nanomaterials that are used as templates will also change the self-assembly process, thus regulating the self-assembling structures. Currently, the research on the self-assembly in the presence of templates is still relatively short, and the understanding of self-assembling morphologies and related physical issues is even less. This project intend to systematically investigate self-assembling processes of amphiphiles and colloidal nanoparticles with amphiphilic features while graphenes and carbon nanotubes are templates using molecular dynamics simulations, thus we could obtain some novel self-assembling structures, and then we will reveal the microscopic physical mechanisms of the self-assembly in the presence of templates and different influences of the diversity of template features to the self-assembly. This project will bring new discoveries on structures and related mechanisms of the self-assembly in the presence of templates, and this would provide references on experimental researches and practical applications of novel materials with complex structures prepared using self-assembly.

两性分子和纳米颗粒可以在不同条件下自组装成不同的结构。在自组装中加入其他纳米材料来作为模板也会改变自组装过程从而实现对自组装结构的调控。目前，对有模板时自组装的研究相对较少，对其产生的结构以及所涉及的物理问题的认识更加匮乏。本项目拟用分子动力学模拟的方法来系统地研究两性分子和具有两亲性特征的胶体纳米颗粒在石墨烯或碳纳米管作为模板时的自组装过程，从而获得一些新颖的自组装结构，并进一步揭示有模板时自组装的微观物理机制以及模板特征的差异对自组装的不同作用。本项目将对有模板时的自组装结构和相应的物理机制等问题有所新的发现，从而为以自组装方法制作具有复杂结构的新颖材料的实验研究和实际应用提供理论参考。

自组装材料目前是材料、物理、化学等多种学科的热点研究方向。通过改变外界条件可以使纳米组元自组装成形态各异的具有科研或实用价值的结构。在自组装中加入其他纳米材料作为模板也可以改变自组装过程从而获得结构新颖的材料，这些结构在没有模板时是难以形成的。目前，对有模板时的自组装结构以及所涉及的物理机制的研究相对较少。考虑到有模板时的自组装是制作新颖或复杂结构的一种重要方法，因此有必要对其进行深入研究。本项目采用分子动力学方法研究两性分子和纳米颗粒在碳纳米材料模板上的自组装，从而对自组装过程和结构有更全面的了解，并进一步对其中所涉及的物理机制问题进行深入探究。项目在执行期间主要研究了两性分子在碳纳米管内部的自组装。通过大规模分子动力学模拟研究发现两性分子在不同浓度以及不同尺度碳纳米管的作用下形成了一系列的不同结构。进一步对形态转变机制的研究表明碳纳米管的曲率以及两性分子在不同浓度时的组装体形态是影响自组装结构形成的主要因素。目前此研究的数据材料已基本整理完成，相关论文待发表。本研究不仅可以进一步了解碳纳米管模板影响下的自组装结构和机制，还为研究人员在相关实验中对可能出现的结构进行正确预测提供了理论依据，从而使自组装方法可以更高效的制作结构复杂的新颖材料。此外，本项目还对两性分子在其他种类碳纳米管内部的自组装结构及其形成机制、以及碳纳米管/石墨烯对两性分子组装体系统的吸附形态进行了研究。目前在其他种类碳纳米管系统的研究中已对自组装结构的不同形态转变过程进行了初步探究，进一步的结论及对机制的阐述还需要以后进行系统性的研究。