软各向异性胶体粒子聚集结构及动力学的多尺度模拟

In this proposal, we will develop a multi-scale simulation method, and study the ordered and the disordered gel-like and glass-like aggregation behaviors of soft Janus particles. Aiming at the typical soft Janus particles such as Janus dendrimers, Janus hyperbranched polymers, and so on, we will develop a simple, effective, and universal multi-scale simulation method which can successfully describe their structure and physical characteristics. With this multi-scale simulation method, we will study the ordered aggregation behavior of monodisperse soft Janus particles and the disordered gel-like and glass-like aggregation behaviors of polydisperse soft Janus particles, especially focus on the influence of the deformable and anisotropic characteristics and particle polydispersity of soft Janus particles on their ordered and disordered aggregation behaviors, elucidate the control factors and dynamic mechanisms resulting in different aggregation structures, and further reveal how to control the different aggregation structures of soft Janus particles. Our results will provide a useful multi-scale simulation strategy to study the aggregation behavior of soft Janus particles and a reliable theoretical support for designing and developing high-performance functional materials, and offer fresh cues for an improved understanding of gel and glass formations.

发展并利用多尺度计算机模拟方法，研究软两面神胶体粒子的有序聚集行为以及类似凝胶化和玻璃化的无序聚集行为及本质。针对两面神树枝状聚合物、两面神超支化聚合物等典型的软两面神胶体粒子体系，发展一种既简单有效又能够描述其结构特征和物理特性的、普适性的多尺度模拟方法。利用该多尺度模拟方法，研究软两面神胶体粒子单分散体系的有序聚集行为以及多分散体系类似凝胶化和玻璃化的无序聚集行为，着重研究软两面神胶体粒子的软形变和各向异性特性以及粒子多分散性的引入对其有序及无序聚集行为的影响，明晰导致不同聚集结构的控制因素及动力学机制，实现对软两面神胶体粒子不同聚集结构的合理调控。这些研究结果将为研究软两面神胶体粒子的聚集行为提供一套切实可行的多尺度模拟方案，为设计和开发高级功能材料提供可靠的理论帮助，同时为深入理解和认识凝胶化和玻璃化本质提供新的线索和思路。

按照项目计划书开展研究工作。发展了基于软两面神粒子模型的多尺度模拟方法，同时发展了软补丁粒子模型及相应的动力学模拟方法，开发了拥有自主知识产权的GPU模拟软件ANISOMAST。利用发展的这些模拟模型和方法，研究了软两面神和补丁胶体粒子体系的自组装行为，明晰了不同超胶体螺旋结构和多面体空心笼形结构的设计原则及其动力学机理以及粒子多分散性对超胶体螺旋结构形成的影响规律及机制。同时，研究了软两面神玻璃质液体平动和转动的扩散与松弛行为以及二分散四补丁玻璃质液体的脆性与粒子软硬度和各向异性相互作用强度之间的关系，明晰了软两面神和补丁粒子等各向异性胶体体系玻璃化行为的动力学本质。此外，与实验研究者建立了紧密的合作关系，在实验中制备了软两面神和补丁聚合物胶体粒子，并且研究了软两面神胶体粒子的自组装行为，得到了一致的模拟和实验结果。我们的研究结果为各向异性胶体粒子体系有序及无序聚集行为研究提供了一套切实可行的模拟方案，为新型功能化超胶体材料的设计和开发提供了新的思路和理论帮助，同时为深入理解各向异性胶体体系玻璃化本质提供了重要的理论依据。