聚合物胶体颗粒定向弯曲及可控组装的模拟研究

The ordered self-assemblies of polymeric colloidal paticles have attracted great interest due to their great potential on the fabrication of functional materials. The Monte Carlo (MC) method will be used to simulate the buckling process of the polymeric colloidal particles under mediated conditions, e.g. adhesion surface or swelling, the influence of these inductions on the particles deformation should be investigated, and we are trying to find out an effective approach to synthesis the polymeric colloidal particles with tunable anisotropies and morphologies. Further, we will also study the self-assembly process of the colloidal particles with different shapes and anisotropies using the dissipative particle dynamics (DPD) simulations, explore the adjustment mechanism between the particle surface properties and the deformation process. Both the two simulation processes should be connected, afterwards the dynamical regulation of the tunable deformation on the controlled assembly will be investigated which could give us a guide on the fabrication of the fascinating functional composite material.

聚合物胶体颗粒的有序组装在制造功能性复合材料方面有着巨大的潜力，通过调整其形变的大小和指向来控制组装行为是一种获得胶体颗粒有序结构的有效手段。我们拟借助蒙特卡罗方法来模拟聚合物胶体颗粒吸附在基底表面时发生诱导形变的过程，考察不同条件下形变大小、取向的变化，寻找控制聚合物胶体颗粒定量定向形变的手段。进一步我们计划采用耗散粒子动力学方法来模拟非球非全同胶体颗粒的组装行为，考察不同形状及表面性质对这一过程的影响，明晰这一复杂问题的机理，加深我们对胶体颗粒可识别性组装的认识，以期为实验研究和应用生产提供理论指导。最后，我们还将通过动力学方法模拟由形变到组装的动态过程，来考察诱导形变对组装结构动态调节，这将指导我们对新型可控的功能性材料的开发。

本项目的研究主旨在于采用计算机模拟方法考察复杂溶液环境中多嵌段聚合物有序组装形成胶体颗粒的行为，同时还研究了聚合物胶体颗粒可控形变，取得了系列的理论成果，加深了人们对聚合物组装行为以及聚合物基纳米材料形变行为环境响应性的认识，对新型可控的功能性材料的开发具有重要的参考价值。项目的主要研究内容和结果可以归结如下：1）借助蒙特卡罗方法模拟了胶体颗粒在基底表面发生吸附诱导形变的过程，考察了形变大小和取向的控制因素，为控制聚合物胶体颗粒定向形变提供了理论支持。2）模仿聚合物/SiO2复合Janus纳米材料构建了单侧接枝聚合物链的Janus纳米片模型，并对其在溶剂中的形变行为进行了动力学模拟，发现当接枝链长不变，与溶剂相容性逐渐增加时，Janus纳米片会由平面的状态逐渐卷曲（曲率逐渐增大）；而当接枝聚合物链逐渐增长时，Janus纳米片的曲率也会逐步增加，对应平面结构逐渐卷曲的过程，这一现象对于亲、疏溶剂的接枝链体系均会出现，因此应是受接枝链构象熵的控制的过程，而对于接枝链亲溶剂的体系，随接枝链长增加纳米片曲率在超过一个极大值后反而会缓慢下降，这应该是源于接枝链的空间位阻影响；在研究中我们还重现了筒、卷、饺子等实验中发现的结构。3）研究了两侧接枝不同聚合物链的Janus纳米片在溶剂中形变的调节因素，在研究中我们发现接枝聚合物链长差和溶剂对接枝链选择性的增加都会促进Janus纳米片的形变行为，使片层的曲率增加，两者分别源于链构象熵和不相容相间界面张力的贡献；通过上述因素的竞争，我们的模拟中得到了筒、卷、双卷、折叠等多种包覆结构；特别是在大链长差体系中，形成了憎溶剂相在外而亲溶剂相在内的反常封装结构，这一发现有望为我们提供一种跨相界面输运不相容物质的新途径。4）考察了对称ABC三嵌段共聚物链在选择性溶剂中的组装的动力学行为，通过对各嵌段与溶剂相容性的调节，得到了多种聚集结构，发现组装形成纳米片层的不仅需要同种嵌段间的相亲性，还需要相亲性的匹配；此外，还通过调整溶剂对嵌段的选择性，重现了由蠕虫状多层结构到洋葱状多层结构转变的实验现象。这些结果这将有助于指导我们对新型可控的功能性材料的开发。

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