表面引发聚合反应对材料表面疏水性影响的计算机模拟研究

本项目拟发展并利用耦合化学反应的粗粒化分子动力学模拟方法，研究接枝链改性的不同受限表面的结构及疏水特性，明晰控制材料疏水性能强弱的各项物理因素以及调控手段。本项目分两步走：首先构建平面、球面及圆柱管内壁三种特殊表面上的引发聚合反应模型，探求各受限体系在引发效率、链多分散性等方面的异同，并研究聚合物刷的分子量及结构的可控性；进一步利用大规模并行分子动力学模拟方法研究表面改性材料的疏水性变化，探索各受限表面疏水行为的异同，从微观尺度对疏水性进行诠释。从理论上认识表面在改性后疏水机理的变化，探索改性表面的疏水条件以及疏水能力与表面微结构之间的对应关系，从而为制备性能优异的疏水及超疏水材料提供可靠的理论帮助。

基于项目计划书中所陈述的科研计划，我们利用粗粒化分子动力学方法，围绕聚合物刷接枝的表面材料的性质展开研究。研究了接枝链在不同几何结构表面的聚合反应行为，以及接枝所构成的毛刷状表面结构材料的疏水性这两方面问题。具体结论有以下四个方面： .（1）.我们研究了从空腔内引发的活性聚合反应。结果显示，取决于不同的反应终止条件，接枝链不同的多分散性指数和接枝表面曲率之间可归纳出不同的依赖关系。此外接枝链平均分子量随表面曲率的增大单调降低。这些结果为更好地控制和设计功能性介孔材料，并进一步应用于生物移植和化学传感等领域提供了设计思路。.（2）.通过粗粒化分子动力学方法耦合随机反应模型，研究了表面引发聚合反应对纳米粒子进行表面修饰的研究。重点研究了引发密度和接枝表面曲率之间的耦合效应，表面的受限程度强烈依赖于表面曲率，因此引发效率、接枝链分散性、以及分子量分布都展示出强烈的表面曲率的依赖性。这些结果揭示了制备理想的纳米粒子尺寸对控制接枝链的分散性及其在聚合物基底中的分布至关重要。 这些结果为实验上设计合理的纳米粒子尺寸或尺寸分布提供了可靠的理论指导。.（3）.利用粗粒化分子动力学方法，研究了影响表面毛刷状结构疏水性的主控因素。通过构造合理的接枝密度、毛刷链长以及链刚性，毛刷表面显示出对液滴理想的排空性能。当液滴至于毛刷状表面，柔性的毛刷可以自发地与周围毛刷形成束状构象，从而增强其疏水性。本研究为疏水或自清洁材料的设计与调控提供了思路。本研究的意义在于对过去柔性聚合物刷覆盖的表面和粗糙硬表面的疏水性的研究之间构建了连接。 .（4）.参与开发了高性能计算的分子动力学模拟程序包GALAMOST。GALAMOST是一个调用GPU高性能计算能力的分子模拟程序包。除了常见分子动力学程序包固有的功能外，它还特别添加了在介观尺度上利用最新模拟技术来研究聚合物自组装、相分离以及其它聚合物体系特性的模块。为了加速模拟，GALAMOST包含了“粒子-场”杂化分子动力学模拟技术，其中粒子-粒子相互作用被粒子-密度场相互作用所取代。此外，GALAMOST添加了“自下而上”粗粒化方法数值势模拟的接口。通过耦合这些力场以及粒子-场杂化方法，可以用它模拟超大尺度及超长时间的聚合物体系。特别地，GALAMOST将随机反应模块扩展到GPU高性能计算中来。为进一步将表面引发聚合反应模型应用到较大的模拟体系打下了基础。