基于电场的聚电解质与纳米颗粒组装动力学研究

发布时间：2017-12-25 22:11

本文关键词：基于电场的聚电解质与纳米颗粒组装动力学研究　出处：《吉林大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：自下而上微纳制造技术的本质是分子组装,技术手段多种多样,如微接触打印、接枝聚合物、沉积与吸附、逐层自组装等。其中,沉积与吸附技术能够广泛应用于各种材料且操作简单成本低廉,因而引起了科研人员的广泛关注。在众多可用于自下而上微纳制造的材料中,聚电解质与纳米颗粒作为聚合物科学和纳米科学的重要组成部分在科学研究和工程应用领域都有着至关重要的地位,尤其是电子学、微机电系统、光学、生物医学等。典型的聚电解质,如蛋白质、DNA、RNA、壳聚糖及各种人工合成的大分子已经广泛用于功能性薄膜、纳米支架、纳米图案等的设计制造。此外,纳米材料,如金属纳米颗粒、碳纳米管、石墨烯等也与自下而上微纳制造技术相结合用于超微电极、微流控器件、微电子器件、微反应器等的设计制造。本文基于分子模拟方法重点研究了几种聚电解质与纳米颗粒系统的物理沉积与吸附的动力学特征和构象演变过程;探讨了两亲聚电解质形成刷状、纳米球状、纳米网络以及纳米条纹等沉积结构的条件,以及聚电解质刷在外电场中的响应特性。本文在微纳尺度下揭示了聚电解质与纳米颗粒物理沉积与组装的物理机制,并发现了一些新的现象。计算机模拟技术能够在更小尺度上捕捉微纳制造过程中的动力学特征和构象的演化,且能够分析实验研究和理论研究不容易考察的变量,对微纳制造技术的发展有着重要意义。因此,研究聚电解质与纳米颗粒的沉积与组装的微观机理对自下而上微纳制造技术的发展具有重要的科学意义和应用前景。本文主要研究内容如下:(1)从分子尺度阐述了溶剂品质、聚电解质电荷分布以及外电场强度对柔性的两亲二嵌段聚电解质的物理沉积行为的影响。柔性的两亲二嵌段聚电解质在亲水基板表面形成具有两亲特性的双层结构。在非选择性溶剂中,亲水嵌段在沉积表面形成薄而均匀的吸附层,疏水嵌段呈刷状分布在亲水层上方。在选择性溶剂(对亲水嵌段具有选择性)中,亲水嵌段形成薄圆盘状吸附结构,疏水嵌段组装成纳米球状结构分布在亲水层上方。聚电解质上同种电荷间的静电斥力使沉积结构变得疏松。外电场对聚电解质的沉积结构有一定的压缩作用。在选择性溶剂中,强电场使疏水纳米球和亲水圆盘的尺寸减小。(2)揭示了聚电解质电荷分布、聚电解质刚度以及外电场强度改变时,半柔性的两亲二嵌段聚电解质在选择性溶剂(对亲水嵌段具有选择性)中进行物理沉积的微观机理,研究了条纹状、网状及局部有序的组装结构的形成条件。在沉积层中,半柔性的两亲二嵌段聚电解质形成由一个疏水中间段和两个亲水末端构成的“三段式”胶束。聚电解质电荷分布和刚度的变化导致短粗型和流线型两种胶束的形成。聚电解质刚度的增加和亲水嵌段上正电荷数量的增加都会导致胶束疏水段横向尺寸的减小。亲水嵌段形成的薄吸附层局部有序,刚度较小时相邻两胶束的亲水嵌段彼此垂直,刚度较大时亲水嵌段趋于流线型分布。亲水嵌段上电荷数量的增加导致子组装多层的厚度和疏水胶束的横向尺寸减小。此外,外电场可能会导致直立胶束的形成。(3)研究了聚两性电解质刷和聚电解质刷在外电场中的响应行为的微观机理。分析了电荷序列、聚电解质刚度和外电场的方向和强度对聚合物刷构象转变的影响。聚两性电解质刷的响应行为和局部结构取决于聚两性电解质的电荷序列。当半柔性聚两性电解质上带正电的嵌段接枝在基板表面时,触发聚两性电解质刷塌缩的临界电场强度随着嵌段长度的增加而增加,若聚两性电解质接枝在基板表面的末端嵌段带负电,则临界电场方向与上述情况相反。若无外电场作用,聚两性电解质刷呈伸展状态。尽管外电场诱发聚两性电解质刷的塌缩,聚两性电解质仍存在局部伸展的情况。(4)从分子尺度分析了表面携带相反电荷的Janus纳米颗粒在带电表面上的静电组装行为,揭示了Janus纳米颗粒形成吸附单层的物理机制。当Janus纳米颗粒表面正电荷的比例较小或基板表面正电荷密度较大时,Janus纳米颗粒倾向于形成纳米颗粒单层和较小的纳米颗粒团簇。Janus纳米颗粒表面净电荷较小时形成较大的纳米颗粒团簇和较厚的吸附结构,且吸附在初始阶段出现迟滞。此外,当基板表面电荷密度较大时,基板表面的电荷密度在Janus纳米颗粒的吸附过程中充当主导因素。反之,当基板表面电荷密度较小时,Janus纳米颗粒表面的净电荷充当主导因素。(5)采用热液合成的方法制备银纳米颗粒并将其载入接枝有壳聚糖的活性炭纤维表面,研究载入银纳米颗粒前后活性炭纤维的抗菌特性。建立表面-聚电解质-纳米颗粒吸附的粗粒化分子动力学模型,验证了壳聚糖与银纳米颗粒之间的静电吸附机理,并系统研究了聚电解质的刚度对其吸附纳米颗粒的形式和动力学特性的影响。仿真结果表明,聚电解质上的正电荷与纳米颗粒表面携带的负电荷之间的引力作用能够使纳米颗粒吸附在聚电解质表面。当聚电解质刚度较小时,系统中出现聚电解质链缠绕纳米颗粒团簇的行为,这种缠绕使吸附结构更加稳定,纳米颗粒团簇的纵横比也更小。当聚电解质刚度较大时,被吸附的纳米颗粒呈珠链状结构,纳米颗粒团簇的纵横比较大。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB383.1;O631

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