两亲性嵌段共聚物功能化纳米粒子的自组装研究

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纳米粒子组装体具有优异的光、电和磁等综合性能,使其在能量捕获与储存、光学和电学等领域具有广泛的应用前景。但从纳米尺度上设计并构造高度有序的超结构仍具有挑战。补丁粒子是一类表面具有特殊作用位点的粒子,可以作为一种新型的构筑单元并用于组装成功能材料。为了获得不同超结构的纳米粒子组装体,本工作基于耗散粒子动力学研究三嵌段共聚物组装形成的补丁粒子及其超结构的过程。同时利用粗粒化分子动力学,研究两亲性嵌段共聚物引导纳米粒子自组装过程。主要研究结果如下:  (1)三嵌段共聚物多级自组装的研究  对全原子模型进行合理映射,获得三嵌段共聚物粗粒化模型。采用耗散粒子动力学,研究三嵌段共聚物在溶液中的多级自组装过程。模拟结果表明:通过改变溶剂性质,三嵌段共聚物能够自组装形成补丁粒子;共聚物的嵌段长度比对补丁粒子的形貌有着重要影响。进一步论实,不同形貌的补丁粒子可以自组装形成多种超结构。  (2)两亲性嵌段共聚物功能化纳米粒子构造补丁状粒子的研究  基于粗粒化分子动力学方法,构建两亲性嵌段共聚物功能化纳米粒子的模型,并探讨共聚物和纳米粒子的物化参数对补丁状纳米粒子的影响。通过调整共聚物链的分子参数(即接枝链的数目和组分)可以调控纳米粒子表面的补丁结构,如形成补丁的数目和几何形状。此外,聚合物链长度和纳米粒子粒径显著影响补丁状粒子的形成。  (3)补丁状纳米粒子自组装过程的研究  以补丁状纳米粒子作为构筑单元,进一步组装形成杂化超结构。模拟发现:两亲性嵌段共聚物功能化纳米粒子能够多层次地组装形成纳米粒子不同排列的超结构,包括胶体状、链状和类凝胶状的超结构。通过对补丁状纳米粒子的合理设计,可以控制纳米粒子在组装体中的分布与间距。在合适的分子参数设置下,接枝功能化纳米粒子可以形成不同的构筑单元,为多种纳米粒子组装体的构造提供条件。超结构的形成过程遵循着自由补丁状纳米粒子缩合-组装超结构聚结的机理。纳米粒子采用共聚物功能化的策略并引入补丁状粒子的概念使设计和制造高度有序超结构成为可能。
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