高分子修饰的无机纳米棒自组装的模拟研究

基于金纳米棒的自组装实验[Science, 2010, 329: 197]，建立粗粒化模型，采用耗散粒子动力学方法模拟研究无机纳米棒经高分子修饰后的自组装行为。纳米棒设计为圆柱体，两底面和侧面分别吸附了不同性质的高分子链。模拟底面高分子链的相互吸引诱导纳米棒自组装的动力学过程，揭示新的组装结构及其组装机制，研究自组装结构的热力学稳定性和动力学稳定性，解释实验结果。考察高分子链的性质对纳米棒自组装结构的影响，获得一维、二维和三维自组装结构，给出包含各种低温结构的热力学相图。模拟受限空间中纳米棒的自组装过程，研究受限面的性质对自组装结构的影响，为纳米棒在界面、基底的自组装提供理论基础。研究结果初步揭示无机纳米粒子的自组装机制及规律，预测实验上可能出现的新组装结构，为将功能材料按照理想方式组装成高度有序的结构、为设计新型纳米材料的实验研究提供一定的理论指导。

经过20多年的迅速发展，纳米科学的研究重点正逐渐从合成各种纳米粒子转移到纳米粒子的组装和纳米结构材料的设计，高分子体系由于其弱刺激强响应的特点，能有效诱导无机纳米粒子的自组装。目前，人们更多关注的是自组装体的结构和功能，而有关自组装体形成机制的研究有待深入。.本项目主要采用计算机模拟方法研究嵌段共聚物/纳米粒子体系的自组装行为、热力学性质和动力学性质，得到了溶剂性质、共聚物链的刚性度、刚性棒的长度、纳米粒子和共聚物的相互作用、施限体的性质和尺寸等因素对嵌段共聚物/纳米粒子在稀溶液中和受限环境中的组装结构的影响规律和相图，明确了影响组装结构的关键因素和组装结构的热力学稳定性，揭示了刚柔嵌段共聚物/纳米粒子的自组装机制和规律，指出了纳米粒子的有序组装结构是嵌段共聚物、纳米粒子和施限体协同作用的结果。探索了纳米粒子对聚合物热力学性质和动力学性质的影响规律，研究了受限聚合物的吸附性质和吸附机理，获得了各种标度关系并进行了物理分析。本项目的研究成果揭示了自组装过程中体系熵和能量的竞争，定性解释了部分实验结果，并预测了可能的新结构，为将功能材料按理想方式组装成高度有序的结构和设计新型纳米材料的实验研究提供了一定的理论指导。