清华燕立唐教授课题组《Nat. Commun.》：发展高分子凝聚态物理理论 - 揭示大分子网络中粒子输运的拓扑效应
2022-07-18 来源：高分子科技
拓扑是现代凝聚态物理学的重要概念。具有特定拓扑的大分子网络结构，是诸如弹性体、水凝胶、MOF、生物粘液和生物组织等众多体系的结构基础。纳米尺度的粒子在此类体系中的输运动力学，是与之相关的新型功能材料、生物医用材料以及高性能高分子材料的共同物理基础之一。发展对应的高分子凝聚态物理理论，对于深入阐释该动力学过程的物理本质来说有重要意义。大分子网络通常具有多层次结构，由简单到复杂依次为链（Strand）、环（Loop）、格（Cell），直至完整网络（Network）（如图1所示）。尽管网格是与网络直接关联的结构，现有的理论却集中于大分子网络中较为简单的环结构对粒子输运的影响。因此，发展针对拥有复杂拓扑特征的网格结构的凝聚态物理理论研究框架是该研究领域一个亟需解决的关键科学问题，也是一个有着较大难度的理论挑战。
图1：大分子网络的多层次结构
作者首先发展了一套硬粒子在大分子交联网中的统计热力学理论，在考虑聚合物链的熵效应以及粒子的排除体积效应的基础上，给出了球形纳米粒子在大分子网络中的配分函数和自由能关于粒子大小和位置的解析表达式。以往的理论认为，纳米粒子在大分子网络中输运导致的自由能变化主要取决于网络中聚合物环结构的弹性能。为了探究大分子网络中网格拓扑结构的影响，作者设计了四种柏拉图多面体（正四面体，正方体，正十二面体，正二十面体）和一种阿基米德多面体（截角二十面体）结构的大分子网格，将相同大小的球形纳米粒子放入其中，得到了自由能关于粒子位置的等值面分布（图2）。同时，在理论上证明了纳米粒子在相邻的网格之间运动的最小能量路径（mean energy path, MEP），并详细分析了纳米粒子沿着MEP方向穿行的自由能变和势垒，从而从理论上揭示一系列新的标度域（图3），并发现其边界可由网格拓扑参数调控。
图2：大分子网格结构的拓扑参数、尺度参数以及自由能分布
图3： 网格拓扑结构决定了自由能变ΔF和势垒Ub，诱发新的热力学标度域
图4 网络拓扑结构介导的动力学标度域
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-31861-9
下载：Topology mediates transport of nanoparticles in macromolecular networks
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（责任编辑：xu）
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