广工丁明明教授/深大李连伟研究员 Macromolecules：梳状聚合物在溶液和受限纳米通道中的构象-从线性到瓶刷结构

2022-10-01 来源：高分子科技

梳状聚合物已成为一类具有广泛潜在应用的新材料，包括在超软弹性体、光子晶体、药物输送的纳米载体、刺激响应涂层和平版印刷图案等等。开发这些应用的先决条件是准确表征梳状聚合物链结构与分子参数的关系，然而，学术界仍有几个重要问题有待澄清。首先，主干链-接枝链和接枝链-接枝链的排除体积相互作用如何影响梳状链的结构？第二，调整接枝密度或接枝链长度均可改变排除体积相互作用，进而影响梳状链的整体结构，是否可实现一般性描述？此外，学术界目前更多地关注梳状聚合物在自由溶液状态下的构象，忽略了它们在受限状态下的变化，纳米通道中接枝密度和接枝链长度对梳状聚合物构象转变的影响，仍没有明确答案。

近期，广东工业大学丁明明教授/深圳大学李连伟研究员等人利用布朗动力学模拟方法探究了梳状聚合物链在稀溶液中从自由态到受限纳米通道中的构象变化（如图1和2所示）。研究表明，对于自由态，梳状聚合物的回转半径与拉伸因子（接枝密度乘以侧链聚合度）满足一个定量的指数关系（如图3所示），并统一了不同体系的实验结论。对于受限态，只有当侧链长度大于Kuhn长度时，才能观察到接枝密度的影响（如图4所示）。本研究有效解决了梳状聚合物在不同状态下构象这一基本问题，为表征梳状聚合物的构象奠定了理论基础。相关研究成果发表在《Macromolecules》上，伊犁师范大学研究生唐增贤同学为第一作者，广东工业大学丁明明教授和深圳大学李连伟研究员为共同通讯作者，且得到了中国科学技术大学研究生潘雪君同学、伊犁师范大学周恒为教授的帮助与支持。

图1：(a) 侧链长度N_g=3和接枝密度σ_s =0.1的梳状链模型。(b) N_g=3时梳状链构象的模拟示意图，其中σ_s分别为0.4、0.5和1。(c) N_g=9时梳状链构象的模拟示意图，其中σ_s分别为0.1、0.5、0.7和1。

图2：(a) 受限纳米管道宽度H=7，N_g=3时梳状链构象的模拟示意图，其中σ_s分别为0、0.4、0.5和1。(b) 受限纳米管道宽度H=10，N_g=9时梳状链构象的模拟示意图，其中σ_s分别为0.1、0.5、0.7和1。

图3：梳状链和主干链本身的回转半径之比(R_g/R_g0-1)与拉伸因子(σ_sNg)的指数关系。

图4： (a) 平行于x轴（受限纳米管道轴线）的梳状链的回转半径分量与其回转半径(R_gx²/ R_g²)的比值与相对受限程度（H/l_p）的函数关系。插图显示了σ_s =1.0时，H/l_p≈2.49和3.32时的模拟示意图。(b) 具有接枝侧链的主干链和主干链本身的持续长度之比(l_p,_con/l_p0)与相对受限程度（H/l_p）的函数关系。

丁明明教授一直从事复杂多相流体动力学的理论与模拟研究，自主编写了以格子玻尔兹曼为核心，结合分子动力学、浸润边界以及物理信息神经网络的多相流体模拟程序，关注介观和宏观尺度下复杂多相流体中相特征与动力学的关系，如溶液中分子测序、表征与分离，空气中病毒分子或PM2.5颗粒的稀释和扩散，血流中囊泡或胶束等基因或药物载体的输运、水中污染物的沉降与净化等。

原文链接：https://doi.org/10.1021/acs.macromol.2c00822

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（责任编辑：xu）

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