帶電高分子以及嵌段共聚物自組裝行為的模擬.pdf

1、許多軟物質由于表面電荷的電離而具有水溶性的，這一重要的性質使它們能與帶相反電荷的物質在溶液中產(chǎn)生自組裝。在膠體科學中，聚電解質可以與表面帶相反電荷的膠束復合，人們利用這一性質將聚電解質作為一種高分子粘合劑聚集溶液中分散的顆粒。在生命科學中，DNA和RNA本身就是兩種表面帶有負電荷的聚電解質，它們可以與表面帶正電荷的蛋白質復合，形成生物體中重要的結構單元。這在基因轉移(Gene Delivery)方面有著巨大的應用價值，因為在生物體中，基

2、因和蛋白質之間的復合效率非常高，例如，病毒，染色體等等，而基因轉移的核心問題就是如何高效地將基因片段引入病人的細胞核中。靜電作用的存在，可以使球面上一定數(shù)目帶相同電荷的點以特殊的方式排列。這個看似簡單的“Thomson問題”已經(jīng)研究了近百年。以上提到的都是當前研究中非常熱門的問題，可以看出，靜電作用引起的自組裝有極大的研究空間。本文主要研究內容和結果如下： 第一章是緒論。我們總結了目前研究靜電引起的自組裝和嵌段共聚物自組裝的理論

3、方法。 在第二章和第三章，我們利用Langevin動力學，對兩類體系進行了模擬：聚電解質與一定數(shù)目帶相反電荷的球以及聚電解質與有限長帶相反電荷的柱。我們發(fā)現(xiàn)，聚電解質鏈與一定數(shù)目帶相反電荷的球在鹽溶液中可以形成串珠狀和聚集態(tài)的復合體系。體系中相鄰單元之間的距離大致相同，并且隨溶液中鹽離子濃度的增加而增加。在對鏈兩端施加外力后，隨著外力的增加，球將從聚電解質鏈上脫落，脫落的過程可以分為兩個階段。在不同的鹽離子濃度下，這兩個階段表現(xiàn)

4、出的行為也是不同的。我們通過離散的方法構造了一個有限長的帶靜電柱，并模擬了聚電解質與其組裝的動力學行為。我們具體考察了鏈剛性、柱表面電荷大小和分布及柱長度對復合體系形態(tài)的影響。結果發(fā)現(xiàn)，聚電解質鏈在柱面上的排布除了螺旋形態(tài)還會出現(xiàn)很多其他的形態(tài)。事實上，螺旋形態(tài)只在一定條件下才出現(xiàn)：鏈剛性較大，柱面電荷密度較小，柱長度較小。我們從體系能量的各個部分對總能量的貢獻分析了其中的原因。針對DNA與樹枝狀聚合物組裝行為的實驗結果，我們考察了帶電

5、柱的長度與吸附在柱面上的聚電解質鏈節(jié)數(shù)的關系。結果發(fā)現(xiàn)它們之間在任何情況下都呈線性關系，這就說明，這兩者之間的線性關系和聚電解質鏈在柱面上的排布方式?jīng)]有直接的關系。通過改變柱面的電荷分布發(fā)現(xiàn)，聚電解質鏈可以在比較長的柱面上形成螺旋態(tài)結構。 第四章利用離散變分法，在耦合相分離的兩組分囊泡模型的基礎上，設其中一個組分帶電荷，模擬了囊泡與帶相反電荷的剛棒的復合體系。我們研究了囊泡的彎曲剛性，囊泡帶電組分的總電量及平均濃度，剛棒的電量對

6、兩者復合體系的影響。剛棒的存在能夠誘導囊泡的兩組分發(fā)生相分離，帶電組分向囊泡與剛棒的接觸處富集。在囊泡與剛棒的接觸處，囊泡產(chǎn)生形變以增加其與剛棒的接觸面積。根據(jù)剛棒所處的位置，所有的結果可以歸為三類：自由，部分包吞和完全包吞。增加囊泡的彎曲剛性模量或剛棒的電量可以使囊泡對剛棒的包吞程度增加；增加囊泡上帶電組分的平均濃度時，囊泡對剛棒的包吞程度會先增加后減小。由于模型中用的假設太多，這使得模型過于理想化。但本章的模擬結果提出了一個思路：用

7、動力學方法研究囊泡的內吞作用。當體系拓展到真正的三維囊泡時，這方面的研究還是非常有價值的。第三章，我們利用實空間自洽平均場理論研究了三嵌段線型和星型共聚物在閉合球面上的微相分離行為，并將結果與嵌段共聚物在二維平面上計算得到的結果進行了比較。計算得到的形態(tài)可以分為帶狀相和點狀相。在球面上，點狀相的拓撲結構較平面上發(fā)生了改變。我們結合靜電學中的Thomson問題對其中一類點狀相的排布方式進行了詳細的研究。當所有的點狀相區(qū)的大小基本相同時，它