外场调控下嵌段共聚物及聚合物-无机纳米棒嵌段体的组装性能

由于丰富的亚稳态相点和较低的相点间位垒，嵌段共聚物难于在大尺度范围内自组装成具有单一微相结构的材料，致使高分子自组装材料在多个领域的应用受到限制。本项目将通过计算机模拟和实验相结合系统研究嵌段共聚物和聚合物-无机纳米棒多嵌段体的组装及其性能。首先，结合微流控技术制备外部尺寸均匀、球内单一微相结构的共聚物微球，深入理解共聚物在三维受限条件下组装结构的变化规律，并以此为构筑单元制备大尺度、多层次结构的光子晶体膜。利用微球性质、外场响应和基底修饰等实现图案化及光学性能调控。第二，通过聚合物与无机纳米棒的复合构筑新的组装基元，在计算机模拟结果的指导下丰富多嵌段体的设计思路，通过无机纳米棒-聚合物多嵌段体在外场作用下取向来诱导嵌段共聚物可控组装和排列，并探索有机-无机杂化纳米结构在光伏电池领域的应用。本项目的顺利实施，将为新的组装基元的构建、三维有序结构材料的设计制备提供科学依据。

通过微流控技术制备出尺寸均匀、可调的聚合物颗粒。系统研究了嵌段共聚物在二维和三维受限下的组装，调节聚合物与介质间界面相互作用、受限程度、退火条件等实现了共聚物纳米粒子形状和内部结构的可控调节。提出构建中性界面的新方法，使多种组分同时出现在颗粒表面，获得了多种新颖结构的聚合物微粒。选择性交联与解组装相结合，得到了两亲性Janus纳米盘。同时，在空间受限和外场协同作用下，以聚合物修饰的无机纳米粒子为组装单元，得到了系列特殊结构的杂化组装体，实现了杂化材料光谱性质的调控。基于此，调控无机纳米粒子间距，得到了响应性光子晶体材料，用于葡萄糖、压力等快速裸眼检测。为外场作用下设计、制备具有可控有序结构的聚合物及复合材料提供了重要的实验和理论依据。.发展了动态高分子自洽场理论和可极化粗粒化高分子模拟方法，研究了嵌段高分子在受限空间、外电场或选择性溶剂环境下的自组装行为；提出了多种调控嵌段聚合物熔体相结构和取向方向的策略和方法；采用高分子自洽场和弦方法阐明了在选择性溶剂环境下嵌段共聚物胶体粒子的结构和结构转变。采用并行Wang-Landau抽样方法系统研究了不同结构单链高分子的相转变行为，阐明了单链高分子相转变与链结构如：分子量，支化度和序列等参数的依赖关系；通过模拟阐明了序列带电大分子在非对称狭缝中的扩散行为；发展了DNA与无机纳米粒子杂化粗粒化模型，阐明了催组装中DNA-toehold替换机理。..在生物大分子组装方面，发展了基于toehold调控链替换反应的分子机器构建策略，并用于调控DNA分子组装及其DNA/金纳米粒子杂化体的组装；首先，制备了以金纳米粒子为核，接枝DNA为外壳层的球形核酸；发展了toehold调控链替换催组装诱导球形核酸组装的新方法；从理论上系统考察了DNA-AuNP探针和DNA链替换反应特性，及表面接枝DNA链替换反应的“OFF/ON”开关效应，并将此策略用于DNA单碱基突变检测；同时，构建了基于双DNA分子机器的多输入逻辑门；利用DNA编码制备了具有特殊光学性质的金纳米棒；其次，将DNA组装策略应用于多色及可擦写DNA光刻，功能化DNA 聚合物刷表面图案化，基于表面增强 toehold替换反应的单碱基多态性检测等方面； 最后，在离子诱导单链DNA G-quadruplex折叠组装方面也取得了有意义的结果。