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两亲性嵌段共聚物自组装的耗散粒子动力学模拟

贺鹏涛  
【摘要】: 两亲性嵌段共聚物在稀溶液中可以自组装成不同形态的胶束结构,相比于小分子,由于在热力学和动力学上更加稳定,因此在药物传输与释放、微电子和先进材料等方面因此有相当广泛的应用前景。在过去十年里,两亲性嵌段聚合物自组装行为和组装结构一直是研究的焦点问题。本文采用耗散粒子动力学(DPD)方法,对两亲性三嵌段共聚物在稀溶液中自组装行为和组装结构问题进行了模拟研究。 首先,我们通过改变亲水性嵌段和疏水性嵌段在稀溶液中的相互作用大小,对两亲性三嵌段共聚物复杂胶束自发形成的机理进行研究。溶剂的选择性被证实是决定共聚物聚集形态的核心因素。这些复杂结构形态形成的不同途径对于解释研究中聚集体的形成原因非常有用。此发现也非常有意义,模拟中复杂胶束形成的潜在机制有助于我们揭示聚集体的真正形成原因,并理解两亲性嵌段共聚物的自组装行为和其动力学。 研究各种胶束形态之间的转变及动态过程对人们在理论及实际上理解各种形态的形成,以及更好的认识生命现象也有重要价值,我们试图研究在稀溶液中各种胶束形态之间的转变及动态过程。在相同的溶剂选择性条件下,模拟的初始态结构被证实对自组装形态的形成起着不可忽略的作用。同时,模拟中复杂胶束之间互相转变的潜在机制有助于我们理解两亲性嵌段共聚物的自组装行为和其动力学。 接下来,我们通过对柔性-刚性-柔性ABA-型两亲性三嵌段共聚物进行耗散粒子动力学模拟,观察并研究了在溶剂选择条件下的自组装行为。嵌段刚性是通过在刚性嵌段的连续键间加入额外的键角势来实现的。结果显示,键角势的引入使自组装相对于全柔性分子来讲发生了巨大的改变。着重研究刚棒状疏水嵌段在微结构聚集体中的影响,以及两亲性嵌段共聚物在选择性溶剂中的动力学性质。我们观察到环状胶束形成过程中的一种截然不同的机理,而这种机理是在全柔性两亲性三嵌段体系中不可能出现的。在柔性-刚性-柔性分子形成的环形胶束中,疏水性嵌段采取一种完全伸展的构象而全柔性分子形成的环形胶束中则是折叠链和伸展链共存。 最后,我们研究了分子链刚性的变化对两亲性嵌段共聚物在选择性溶剂中自组装形态的变化及其动力学行为,得到了许多有意义的结果。通过模拟我们发现,随着疏水性嵌段刚性的增强,柔性-刚性-柔性两亲性三嵌段分子在相同溶剂选择性条件下的自组装路径和组装结果是由疏水性嵌段与溶剂之间的疏水相互作用能与键弯曲势共同决定的。同时,我们在模拟中观察到了不同分子刚性条件下柔性-刚性-柔性两亲性三嵌段共聚物环状胶束形成的两种不同的路径。这些结果为人们深入理解含有刚性嵌段的两亲性分子在稀溶液中的自组装及其形态转变提供了依据。


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