嵌段共聚物囊泡的形成機理及其調控作用的Monte Carlo模擬研究.pdf

1、近年來,合成形態(tài)、大小及結構可人為調控的無機材料成為現(xiàn)代材料科學的一個重要研究方向。大量的實驗結果表明,嵌段共聚物對無機晶體的結晶、生長以及由納米顆粒到各種特殊超結構的形成過程均有獨特的影響。但是目前合成得到的材料主要還是形貌上的創(chuàng)新,對晶體生長機理及各種納米超結構的形成機理的認識還不統(tǒng)一,計算機模擬和理論研究鮮有報導。
　　 本論文利用鍵長漲落Dynamic Monte Carlo方法對嵌段共聚物囊泡結構的形成機理進行了較詳細

2、的模擬研究,同時考察了嵌段共聚物與疏水納米顆粒的共存體系。論文的研究內容主要包括三部分:(1)兩親嵌段共聚物囊泡的形成機理研究;(2)考察形成囊泡的影響因素;(3)考察嵌段共聚物對納米顆粒聚集行為的影響。全文共分六章:
　　 第一章文獻綜述,主要介紹兩嵌段共聚物“平頭型”聚集體的形成及影響因素,以及嵌段共聚物在無機材料合成方面的應用。對計算機模擬方面已得到的研究成果也進行了簡單介紹。
　　 第二章介紹Monte Carl

3、o模擬方法的基本原理及在高分子科學中的應用,并對本論文中所用的模型及方法進行了說明。
　　 第三章詳細討論兩親嵌段共聚物囊泡的形成機理。兩親嵌段共聚物分子用AmBn表示,其中A鏈段疏水、B鏈段親水。在只考慮A-A鏈段之間的相互吸引作用時(εAA=-1.0),模擬結果發(fā)現(xiàn)對于(m+n)≤6的兩嵌段共聚物鏈,只有n=1的鏈結構才能形成囊泡。對于A3B1型嵌段共聚物,在2％～15％的鏈節(jié)濃度范圍內都可以得到單一的囊泡結構。A鏈段組成囊

4、泡壁,B鏈段分布在囊泡的內、外表面。通過考察囊泡的動力學形成過程,我們發(fā)現(xiàn)囊泡由板狀的膠束經過卷曲閉合而成。該卷曲機理曾在分子動力學(MD)、耗散粒子動力學(DPD)、布朗動力學(BD)等模擬研究中觀察到,但對于格點模型,屬首次發(fā)現(xiàn)。
　　 第四章考察AmB1型嵌段共聚物囊泡的影響因素。發(fā)現(xiàn)在m≥3時,Amb1鏈都可以自組裝成囊泡結構。濃度是影響A2B1共聚物能否形成囊泡比較關鍵的因素。對于A3B1型囊泡,隨著鏈節(jié)濃度的增加,囊

5、泡體積逐漸變大,空腔中包含的溶劑量也隨之增加。最后考察了溶劑效應,在考慮A-A之間的相互吸引條件下,同時考慮A鏈段與溶劑的排斥作用εAS。結果發(fā)現(xiàn):當εAS較小時,A3B1鏈通過板卷曲機理形成囊泡;當εAS≥0.05時,A3B1鏈通過擴散機理形成囊泡。而且囊泡尺寸隨著εAS的增加而減小,表明我們可以通過調節(jié)溶劑性質,來調控囊泡尺寸。通過對鏈段結構、濃度因素和溶劑效應的考察發(fā)現(xiàn),三者對囊泡的形成都具有明顯的影響,這與實驗方面得到的結論基本

6、符合。
　　 第五章考察A3B1嵌段共聚物對疏水納米顆粒聚集行為的調控作用。當疏水納米顆粒單獨存在于溶劑中時,它們會聚集成一個致密的團簇。當嵌段共聚物與納米顆粒共同存在于溶劑中時,由于納米顆粒的疏水性、A3B1鏈的兩親性及納米顆粒與A鏈段的相互吸引作用,最終納米顆粒均分布在A3B1的囊泡壁中。對于性能不同的兩種混合納米顆粒,通過與A、B鏈段的選擇性相互作用,實現(xiàn)一種納米顆粒位于囊泡核,另一種納米顆粒位于囊泡壁。在除去A3B1嵌段