聚合物纳米通道的结构变化及其对电渗流的影响

发布时间：2016-10-08 07:15

第 1 章  绪论

随着微纳流控技术的发展和应用，纳米通道成为制约微纳流控系统发展的主要因素之一，提高纳米通道的智能调节能力是实现“芯片上的实验室”的关键技术[3,4]。由于制造工艺的局限性，纳米通道一般是由聚合物或非聚合物表面修饰聚合物构成；其中，表面修饰聚合物刷对智能纳米通道的功能起着重要的作用。最近的研究显示，聚合物修饰的纳米通道表面能够控制电渗流和使表面分析物的作用能最小化[5,6]，这对使用电泳技术使生物分子分离是十分重要的。通过对微纳通道表面接枝聚合物刷(polymer  brushes)，赋予了微纳通道许多新功能，拓宽了微流控的应用领域。聚合物刷是指接枝或生长在纳通道表面的刷状均聚或共聚态高分子聚合物结构变化形成的刷状特殊结构表面。用聚合物刷来构造材料表面的纳米结是一种简单高效的纳米制造新方法[7]，可广泛应用于生物制造、纳米电子、新能源和微机电系统等领域。聚合物刷的一些殊性能使其可作为智能材料用于各种微纳流控器件的制造[8-14]。接枝于通道表面的聚合物刷可以对环境条件（温度、pH 值、光、电场、磁场、压力、殊生物分子及细胞等）的微小变化做出响应，因此可以用于制造微流控系统的智能传感器；在微纳通道表面接枝聚合物刷能有效地改变流道表面的一些性质，如减少流阻[10]、润滑、润湿、摩擦、粘附性和生物相容性等；可通过外界条件（电场等）变化控制通道内的聚合物刷构象，进而实现流体的阀控作用。

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第 2 章  聚合物在纳米通道内的自组装结构 

2.1  引言

本文第一章文献综述得出结论：纳米管的直径是影响嵌段共聚物相行为的重要原因。因此，在本章研究中，纳米管直径的变化将作为重要参数进行深度研究。在本章中将采用分子动力学方法，首先对较为简单的中性二嵌段共聚物在多壁纳米管中的相行为进行研究。而后，分别研究较为复杂的三嵌段共聚物在单壁及多壁纳米管中的构象变化情况。对于影响嵌段共聚物相行为的主要参数，如纳米管尺寸及壁面吸附强度等，本文都将进行深入的分析研究。模拟过程中，将得到一系列嵌段共聚物的相图，本文通过分析这些相图，可为后续的工作提供理论指导。 

2.2  分子动力学

在分子动力学模拟中，由于计算条件限制，系统中的粒子数目是有限的，且一定会有部分粒子位于模拟盒子边缘。因此，计算结果不可避免会受到模拟盒子的尺寸和表面性质的影响。但由于考虑到不能为避免这种不利影响而将模拟系统设定为极端大，故合理有效的处理模拟盒子的边界条件对于分子动力学模拟是非常必要的。在本文的研究中，对于模拟盒子的边界处理有两种方式，即周期性边界条件和固定边界条件。

第 3 章  两亲共聚物刷对纳米通道的阀控作用研究 ............................ 55

3.1  引言 ................. 55
3.2  两亲性共聚物的温度响应 ................ 55
3.3  两亲性共聚物的溶剂特性响应 ........... 65
第 4 章  流道上下壁面分别接枝带有相反电荷的聚电解质刷对电渗流的影响 ........................ 75
4.1  引言 ............ 75
4.2  聚电解质刷接枝密度及电场强度对电渗流的调控研究 ........ 75
4.3 不同带电比例聚电解质刷对电渗流的调控研究 ..................... 92
第 5 章  聚两性电解质刷对电渗流抑制作用的研究 ........... 105
5.1  引言 ..... 105
5.2  不同带电比例聚两性电解质刷对电渗流的抑制作用研究 .. 105
5.3 不同电荷分布聚两性电解质刷对电渗流的抑制作用研究 ... 116

第 6 章  接枝聚合物刷的多孔介质膜电渗泵实验研究 

6.1  引言 

本章将首先研究聚合物纳米通道的制备方法，并将纳米通道用于多孔介质膜电渗泵，实验研究接枝不同聚合物后对电渗流的影响规律；实验研究分析改变外加电场强度、聚合物刷接枝密度、刷层厚度和亲疏水性等对电渗流的调控作用。 

6.2  电渗泵制备

如图 6. 2 所示  ，电渗泵流实验系统由电源、电渗泵、待泵送溶液储存池、储液池、氢气供给系统组成。本文选用去离子水作为工作流体，流量计算使用测量液体累加质量的方法。电渗泵工作前需将泵送液体灌满整个泵体，使用电化学工作站在气体扩散电极上分别施加四种电压：0.3V、0.5V、1.0V 和 1.5V，在电渗泵工作 10 个小时后测量储液池内去离子水重量变化并计算电渗泵流量大小。实验中使的仪器：LK98BⅡ型微机电化学分析系统、超声波震荡仪、SU8010 型发射扫描电镜（日立公司）、干燥箱（MTI 公司）、FA1004 型电子秤、高温液压压片机、HF-150 小型氢气发生器。 实验中使用的化学药品为：PAN、PEI、PS 粉末，均为市售通用聚合物；NMP（购自国药集团）；质量分数为 60 wt%的 PT/C 催化剂（购自 johnson Mathey 公司）；AAO 膜（购自上海上木科技）；活性炭、乙炔黑、PVDF（均为分析纯 AR级别，购自沈阳科晶）；质子交换膜 n117（购自 Dupont）；DMF （购自国药集团）。
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第 7 章   全文总结与展望

本论文系国家自然科学基金资助项目“微纳流道内聚合物刷与流体相互作用的多尺度模拟和实验研究的电渗流部分研究内容之一。针对聚合物结构变化形成新结构纳米通道的规律、聚合物刷特殊结构和不同纳米结构通道内电渗流的变化规律进行了研究，旨在提供一种用于微纳流控系统且可抑制电渗现象的新型纳米通道和具有阀控作用的聚合物纳米孔通道，同时为设计高性能低压电渗提供新的解决方案。全文研究工作主要包括以下内容及结论： 1) 本文研究了在两种特殊的纳米通道（选择性和非选择性纳米管）内二嵌段共聚物自组装结构的变化规律，综合考虑了嵌段共聚物的自身属性（包括嵌段的数量、各嵌段单体的组成、共聚物分子链的排列方式等），分别研究了纳米管壁面吸附强度和纳米管尺寸对二嵌段共聚物构象的影响。由于实验难以观察到多壁纳米管内共聚物的复杂结构变化，，本文的研究结果系首次通过分子模拟揭示了在多壁纳米管内二嵌段共聚物螺旋状结构变化情况。此前还未见有相关报到过共聚物在多壁纳米管中的自组装结构。虽然多壁纳米管和单壁纳米管在空间上同样属于二维受限，但由于其增加了内壁的限制，故二嵌段共聚物在多壁纳米管和单壁纳米管中的结构构象差别很大。
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参考文献（略）

本文编号：133424