关于聚电解质刷薄膜抗衡离子分布及其效应的研究

The current project focuses on the inner structure and counterion distribution of polyelectrolyte brushes, based on recent evidence of abnormal swelling behavior of polyelectrolyte brushes under external salt level change. Attention will be paid the physical mechanism of swelling and de-swelling of polyelectrolyte brushes, using a combination of a number of methods, including neutron reflectivity, X-ray reflectivity, single molecule fluorescence microscopy and spectroscopy. It is expected that the information on polymer segmental distribution, counterion distribution, counterion transportation will be subtracted, especially their response to external salt level change. The results can shed new lights on the interaction of counterions with the high bunched polyelectrolyte chains and its relevant effect to the structures. The results can help to understand the feature of counterions' interaction with highly charged responsive soft interfaces, providing new experimental evidence for the establishment of new and more precise physical model.

本项目针对近年来关于聚电解质刷的内部结构及抗衡离子分布的新实验证据，系统开展关于聚电解质与抗衡离子相互作用及其空间分布的研究，重点关注聚电解质刷溶胀与去溶胀的物理机理，采用中子反射、X射线反射、单分子荧光显微与光谱方法，获取分子链段空间分布、抗衡离空间分布、抗衡离子输运特性等重要参数，研究聚电解质刷的内部结构及其随着外界盐浓度的改变而发生的变化规律，揭示高电荷密度聚合物界面与抗衡离子的相互作用规律以及由之诱导产生的空间分布特征，为建立更加客观准确的物理模型提供新的实验证据。

本项目针对聚电解质及其高浓度界面接枝的聚电解质刷体系的关键因素：抗衡离子与分子链相互作用及体系对于外界离子响应的微观机理，采用聚阳离子与聚阴离子模型分子体系，使用单分子荧光显微与光谱、椭圆偏振、中子反射、介电松弛谱等多种研究手段与技术，对目标问题进行了充分、深入、系统的研究，发现了聚电解质分子链构象的分子量依赖性：即低分子量采用直棒，高分子量采用无规线团构象；发现了聚电解质抗衡离子电荷密度随着分子量增大而降低；发现了聚电解质分子链抗衡离子云随着体系稀释而膨胀的过程，直接在实验上发现了聚电解质抗衡离子与分子链的相互作用并非经典的“抗衡离子凝聚”，而是“抗衡离子吸附”过程。研究发现了聚电解质刷溶胀增强来源于内部链段由于偶极对解离导致，发现了聚电解质刷随着盐浓度增大而发生结构变化的内在原因主要是离子浓度增加大致的抗衡离子吸附增强而发生电荷中和作用，该过程在高盐浓度达到饱和，静电屏蔽作用发挥作用，使得分子链之间失去排斥而引发厚度降低而坍缩。本研究提供了大量的实验证据，澄清了关于聚电解质抗衡离子与分子链相互作用的物理模型，对聚电解质凝聚态的响应性微观机理提出了新的认知。