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侧链苯并菲液晶聚合物以及聚合物修饰纳米粒子自组装行为的理论模拟

吴梅  
【摘要】:聚合物之间、聚合物与小分子或胶体纳米粒子之间可以通过如疏水相互作用、氢键和配位键、范德华力、偶极作用、π-π相互作用等,并通过非共价键键合而自组装形成丰富的的超分子有序结构形态。通过实验设计自组装过程中基本粒子的形状、尺寸、表面性质、相互作用方式等,实现对粒子间相互作用的调控,从而驱动带有设计性的超分子有序结构的自组装行为发生,有望获得具有特殊性能的材料,该设计思路被广泛应用于光、电、磁乃至生物医学等新型特性材料的制备研究中,为新一代材料的发展带来了机遇和挑战。计算机模拟由于其时间和空间上的优越性、建模的可实现性以及体系反应过程可控,对于分子自组装的研究具有重要的指导意义。本文通过介观模拟方法,研究了接枝密度对侧链苯并菲的盘状液晶聚合物液晶相行为的影响,此外,还展开了表面接枝聚合物的多个纳米粒子组装体在溶液中类原子轨道堆积的自组装行为研究。苯并菲衍生物是一类盘状液晶,在外围烷基链的作用下可自组装形成丰富的液晶相。将苯并菲衍生物的液晶性质与高分子材料的加工性能相结合得到的苯并菲高分子液晶为液晶材料研究开发带来了广阔的发展空间。研究人员通过实验合成设计,首次提出显著不同于棒状液晶行为的间隔基正耦合效应,以及分立短柱堆积模型,大大推动了侧链苯并菲高分子液晶的可控合成及光电应用发展。我们通过理论模拟的方法对盘状液晶的自组装行为进行了深入研究。侧链苯并菲高分子液晶中主链、间隔基以及尾链的长度和类型,聚合物的分子量大小等因素对聚合物液晶性质都有重大的影响。在前人对基于苯并菲的侧链盘状液晶的实验与理论研究基础之上,构建粗粒化模型(A_kB_lC_4D_(5×m))_n,采用耗散粒子动力学方法对接枝密度对侧链型苯并菲盘状液晶聚合物(SDLCPs)的自组装行为影响进行深入探究。设定不同粒子间的相互作用参数a _(Aj)=60(j=B,C,D),a _(BC)=a _(CD)=70,并引入表示接枝密度的变量σ,σ=1/k。通过改变主链链节长度、接枝密度、间隔基及尾链长度,最终获得了9种相。值得注意的是,与前期工作对比,除了Col_(ne)-Clu,Col_(ran)-Clu,Col_h-Am和Col_(ne)-Col,还得到了其他五种新的相结构:Sph_(ran)-Bulk,Col_(ran)-Net,Col_h-Col,Sph_(ran)-Clu,Sph_(ran)-Col。我们的研究表明接枝密度的变化是影响自组装不同结构的重要原因。当接枝密度σ0.3时,无论是长主链还是短主链,由于主链的体积分数较大,主链形成网状或无定形的块状相。此时,苯并菲盘状侧基的自组装受到抑制,形成无序的短柱或球簇并被主链包裹。当σ≥0.3时,主链较短的SDLCPs均自组装成Col_(ran)-Clu相,观察单个分子构相与实验室的分立短柱模型一致。当主链增长时,观察到向列柱状相,并且在更高的接枝密度区出现六方柱状相。值得一提的是,当主链N=40时,观察到双柱状相(Col_(ne)-Col和Col_h-Col)结构,与实验结果一致。除了柔性间隔基的重要影响外,烷基尾链的长度对自组装的影响也不能忽略。这是因为尾链的数量大,并且当尾链较长时,引起的空间位阻效应更加明显。接枝密度的变化会导致主链堆积方式的多样化从而得到丰富的相结构。因此我们认为较高的接枝密度、中等长度的间隔基、适中或较长的尾链长度以及足够的主链长度是SDLCPs形成有序的柱状相的理想条件,这对于侧链苯并菲高分子液晶的系统研究具有重要的意义。具有表面各向异性的胶体粒子自组装是制备新型材料的重要手段之一。通过调控粒子表面各向异性位点的性质和作用方式,从分子设计的角度出发去探索合适的合成途径,研究者们在不断探索中,发展出很多简单高效的合成技术。各向异性粒子的定向可控自组装在药物递送、光电子信息、材料科学等领域取得了巨大的进展。本文采用耗散粒子动力学方法,研究了表面接枝聚合物的多个纳米粒子的低聚物组装体在溶液中的自组装行为,系统探究了诸如接枝链密度与长度、纳米粒子的数目与直径等因素,共得到6种不同的堆积结构,其中,我们发现当纳米粒子组装体的形态规整堆积时,分为密堆积和分散堆积两种类型,且与原子杂化轨道的形式一致,呈现为正三角形(sp~2)、正四面体(sp~3)、三角双锥(sp~3d)及正八面体(sp~3d~2)。另外我们还发现了当粒子不规整堆积时,可以形成链式结构,并验证了实验结果。我们对其组装形态的可调控性进行了探究,并从聚合物链与纳米粒子的体积效应及纳米粒子间的间距变化等角度解释了各因素对自组装行为产生的影响,发现纳米粒子表面的接枝密度对组装体结构的影响最大。我们的研究工作将对多个接枝聚合物的纳米粒子的自组装及其拓扑结构的多样性方面给出理论支持与指导。


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