激光光散射研究聚(N-异丙基丙烯酰胺)单链及其智能凝胶微球在水中的相变(上)

利用静态和动态光散射相结合的方法系统地研究了单根聚（Ｎ－异丙基丙烯酰胺）（ＰＮＩＰＡＭ）线性长链在无规线团（ｃｏｌｉ）和蜷曲球（ｇｌｏｂｕｌｅ）两个状态之间的转变和球形ＰＮＩＰＡＭ微凝胶的体积相变。首次在实验上证明，一根均聚物长链可以蜷曲成一个稳定的蜷曲单链球以及在无规线团和蜷曲球两个状态之间存在着两个热力学稳定态：皱缩的线团和融化的蜷曲球。另外，无规线团到蜷曲球的动力学研究结果否定了蜷曲球内存在高度链缠结的假说。作者的结果还显示，在完全蜷曲的单链球和收缩的微凝胶的流体力学体积内仍分别含有６６％和７０％的水。通过研究微凝胶与表面活性剂的相互作用，作者提出了与疏水作用不同的新的溶涨和收缩的机理。同时，作者利用核磁共振（ＮＭＲ）首次直接观察到既使在远低于临界胶束浓度时，表面活性剂分子也可在凝胶网络中形成胶束。通过比较单链和微凝胶收缩的差异，作者发现近年来观察到的大块凝胶的所谓的非连续体积变化并不是源于理论上所预测的非连续体积相变，而是由于内部不均匀收缩引致的内部应力同剪切模量之间的相互作用引起的。     

无规聚甲基丙烯酸甲酯在聚乙二醇齐聚物溶液中的自组织及凝胶行为

高度立构规整的聚甲基丙烯酸甲酯在许多有机溶剂中都有形成热可逆凝胶的倾向[1] .高间规度的聚甲基丙烯酸甲酯 ( s PMMA)在溶液及凝胶中的自组织行为可以通过核磁共振、光散射、小角中子散射及红外光谱来研究 [2～ 5] .在甲苯、邻二甲苯和邻二氯苯等溶剂中 ,s PMMA链中的大部分单元都处于有序状态 ;而在苯和氯仿等溶剂中 ,没有这种有序结构形成 ,分子链处于无规线团状态 [5,6] .一般认为 ,这种有序结构的形成与分子链中一定长度间规序列结构单元的存在有关 [7] .对于无规聚甲基丙烯酸甲酯 ( a PMMA) ,由于其较低的间规度 ( <66% ) ,在…     

真空浇铸聚苯乙烯薄膜的拉伸力学行为

高分子溶液的浓度从极稀到极浓的转变过程是高分子链从单链体系转变成相互穿透的多链体系的分子凝聚过程 .在极稀溶液中高分子链以无规线团状态孤立地存在于溶剂介质中 ;在良溶剂中是溶涨的无规线团 ,可以设想溶液浓度逐渐增大时 ,有一高分子线团开始相互接触的所谓接触浓度 ;随着浓度进一步增加高分子线团之间就发生交叠而相互穿透 ,这时溶液就转变成物理交联结构的浓溶液 .分子链的互穿程度会随浓度的继续增加而增加 .如果能用一些特殊的实验方法将高分子在不同浓度的溶液中的凝聚状态尽量全部或部分的保留到高分子固体中 ,则所得到的具有…     

半刚性高分子链塌缩相变的蒙特卡洛模拟

本文主要研究半刚性高分子链在不同温度下的形态变化,特别是在低温下的塌缩相变。我们对半刚性高分子链在三维简立方点阵上进行蒙特卡洛数值模拟。计算模型中考虑了链段间的排斥势、近邻间的吸引势和局域刚性势。链的刚性程度由刚性势与吸引势的比值确定。计算证明在温度逐步下降时,柔性链的形态由高温下的无规线团逐渐收缩为低温下的无规紧缩线团;但刚性程度较高的链则首先扩展,然后再收缩为具有一定有序度的紧缩态。同时我们也证明半刚性高分子链的塌缩相变是与柔性链的形态转变相同,它们的热力学行为都符合二级相变的特征。     

AB型聚乙二醇单甲醚-聚(L-丙氨酸)嵌段共聚物自组装过程的核磁共振研究

利用核磁共振方法研究了AB型双嵌段共聚物(MPEG45-b-PA32)在选择性溶剂中的自组装行为及胶束化过程.嵌段共聚物在三氟乙酸中聚氨基酸和聚乙二醇链段均处于自由运动状态,聚丙氨酸链段为无规线团结构.在向该溶液中逐渐加入氘代水的过程中,聚丙氨酸链段又重新聚集形成规整的二级结构.结合1H-NMR和COSY谱分析,结果显示这一自组装过程伴随着聚(L-丙氨酸)链段由无规线团向α-螺旋结构的构象转变,同时嵌段共聚物逐渐形成核-壳型胶束结构.利用透射电镜观察了所形成胶束的形态,嵌段共聚物主要形成粒径150 nm到220 nm的球形胶束.     

磁性高分子链的磁性质和构象性质的Monte Carlo模拟

采用退火 (Annealing)MonteCarlo方法 ,从高温到低温顺序模拟了简立方格点上考虑最近邻Ising相互作用的磁性高分子链在不同温度的磁性质和构象性质 .磁性高分子链在低温下存在自发磁矩 ,无限长链的临界温度Tc=1 77± 0 0 5J kB.在临界温度附近 ,高分子链经历了从伸展的无规线团到紧缩球体的塌缩相变 .对链的尺寸、形状、近邻数及能量的分析表明 ,高分子链的构象性质从温度Tc=1 77开始发生较明显的变化 ,这表明高分子Ising链的相变是Ising相互作用和链节运动协同作用的结果 .     

凝胶色谱与多角激光光散射联用研究聚氧化乙烯的扩展效应和链构象

采用凝胶色谱与多角激光光散射联用的方法,测定了一系列不同分子量的聚乙二醇(PEG)和聚氧化乙烯(PEO)在色谱柱中的扩展效应.扩展因子随PEG/PEO分子量的增加而增大,经扩展效应改正后得到了样品的准确分子量和分子量分布.同时建立了PEO的Z均回转半径Rgz与重均分子量Mw之间的单分散标度关系:Rgz=0.0272 Mw0.56,结果表明,长链PEO在水溶液中由于排除体积效应采取溶胀的无规线团构象.     

刚柔三嵌段共聚物的柱状结构构筑

合成了以酯键和醚键相连的苯和联苯作为刚棒B嵌段,以聚合度为7,12和17的聚环氧乙烷为A嵌段及辛基或十六烷基为C嵌段的ABC型三嵌段线团-刚棒-线团分子.通过核磁共振氢谱和基质辅助激光解吸电离时间飞行质谱(MALDI-TOF MS)对其结构进行了表征,利用偏光显微镜(POM)、示差扫描量热法(DSC)和小角X射线散射实验(SAXS)对其本体状态下的自组装行为进行了研究.结果表明,聚环氧乙烷聚合度为7、烷基链分别为辛基和十六烷基的化合物1a和2a在固相和液晶态分别自组装成倾斜柱状结构和矩形柱状结构,而具有长聚环氧乙烷链的化合物2b、2c和1c在固相都自组装成倾斜柱状结构.发现聚环氧乙烷链和烷基链的长度显著地影响线团-刚棒-线团分子体系的自组装行为.通过改变线团-刚棒-线团分子体系中柔性链长度的策略,可以精确地调控刚柔三嵌段共聚物的聚集体结构.     

单分子链穿插进入双链凝聚线团的分子动力学方法模拟

用分子动力学(MD)方法模拟了聚乙烯(含300个CH₂单元)单链凝聚线团与一个双链处于平衡态的凝聚线团相互穿插的融合过程,考察分析了体系结构演变的能量信息及第三个链的引入对原来两链穿插状态的影响.研究发现,在两部分线团凝聚成一体后,各分子链一方面在表面势能各向异性的作用下试图挤入体系内部,另一方面在构象熵的驱动下又尽可能地占据体系的空间,线团的穿插是在两者共同作用下逐步完成的.第三个链的融入使得原来两个链的质心距离有所增加,链段的邻接程度减弱.     

高聚物非晶态结构研究的进展

高聚物非晶态的结构研究,包括玻璃态、橡胶态、粘流态、结晶高聚物中的非晶部分以及结晶熔融态的结构研究。 有关高聚物非晶态的结构,有两种不同的学术观点。Flory(1949)用统计热力学推导出“无规线团模型”(Random coil model,图1(a)),即非晶高聚物中的高分子链无论在θ溶剂中或在本体中均具有相同迴转半径的无规线团构象(服从高斯分布)。而Kargin     

超声衰减检测法研究大分子构象变化

以壳聚糖(CS)包埋聚N－异丙基丙烯酰胺(PNPAM)水凝胶和聚甲基丙烯酸(PMAA)水溶液为模型体系,研究了超声衰减检测法用于探测大分子溶液构象和聚集态变化的可能性,实验表明,超声衰减参量(a)与大分子在溶液或水凝胶中的构象状态密切相关。一般而言,大分子的松散线团构象具有较低的超声衰能力,而压缩线团构象则具有比较高的超声衰减能力,不过,过度压缩线构象的超声衰减能力也比较小。据此,可以预期超声减检测有可能发展成一种简单、非破坏性大分子构象研究新方法。     

高分子研究中的一个知识问题——柔性链“从线团到小球”的构象变化

一条大分子链由许多小分子通过共价键连接而成.正是这一"连接"导致了大分子一些独特的物理性质及相关问题.本文希望阐明的就是这样一个小分子物理中没有的知识问题:小分子在溶剂中仅有溶或不溶2个状态;而自60年代起,理论学家们就预言一条柔性大分子链在溶解的状态下,其构象随着溶剂性质变差可以从无规线团蜷缩成一个单链小球.为了证明这一构象变化,实验学家们从70年代末起进行了大量的研究,直至90年代初期仍未观察到稳定的单链蜷缩小球.实验上这一长期悬而未解的问题困惑着众多研究者.甚至有理论学家在1993年报道,当今的样品制备和实验手段无法观察到一个热力学稳定的单链蜷缩小球.中国钱人元先生和一些其他研究者自80年代末期也开始关注与单链有关的问题.我们实验室从1993年开始另辟蹊径,通过制备和采用窄分布的热敏性水溶性高分子超长链,终于在1995年利用激光光散射首次观察到理论上预测的"线团到小球"的构象变化.随后,又揭示了变化过程中存在着一个全新的"融化球"构象以及在单链蜷缩小球中并无理论上预计的额外链互穿和打结.从得到的稳定单链蜷缩小球出发,我们又首次在实验上研究了"小球到线团"的过程,意外地观察到其在准理想状态附近滞后于"线团到小球"的构象变化,并证明该滞后可归于链蜷缩过程中形成的额外链内氢键.最后,借用红外纳秒脉冲激光加热的方法研究了"线团到小球"的蜷缩动力学,并发现其包含了在单个高分子链上"成核"和"粗化"先后2个过程.其中,"成核"过程与链长无关.经过近20年的努力,我们终于基本解决了这一近代高分子物理研究中与知识有关的重要问题,揭示了与其相关的一些大分子特有的物理性质.     

聚N-异丙基丙烯酰胺在十二烷基硫酸钠水溶液中的线团球体转变

高分子链在溶液中,当溶剂由良变劣时,将发生线团-球体转变,而同时由于链间聚集造成的相分离,使得很难真正观察到热力学意义上稳定的高分子单链紧缩球体。表面活性剂的加入有助于阻止高分子链间发生聚集,在不同的外部条件下,表面活性剂同高分子链将形成形态迥异且又复杂有趣的复合结构。本文主要讨论了聚N-异丙基丙烯酰胺在十二烷基硫酸钠水溶液体系中的线团-球体转变行为,以及聚N-异丙基丙烯酰胺与十二烷基硫酸钠分子间的相互作用及结构模型。     

高分子链构象分布的直接观察

在动态光散射 (LLS)中 ,可以通过测定时间相关函数得到给定样品的线宽分布G(Γ) .对于刚性的胶体粒子 ,G(Γ)和流体力学尺寸分布直接相关 ,而柔性高分子链的G(Γ)不仅依赖于链长度分布 ,而且和高分子链构象的弛豫有关 .即使是单分散的高分子样品 ,仍会存在链构象的分布 .如果链构象的弛豫和平移扩散的时间尺度相近 ,如很长的高分子链在溶液中 ,构象弛豫则可能导致G(Γ)变宽 .利用聚(N 异丙基丙烯酰胺 ) (PNIPAM)链随温度升高可从伸展的有构象分布的柔性线团变成蜷曲的无构象分布的均匀小球这一事实 ,通过比较～ 2 5和～ 32℃条件下PNIPAM长链在溶液中的G(Γ) ,直接观察到由构象分布引起的G(Γ)额外增宽 .     

大分子局部链段的走向

本文以投影几何的方法,计算了锯齿型分子链局部链段的形态为折线状。孤立的高分子链,从整体来看是无规线团状,而在微观的局部是折线状。由这样的分子链组成的非晶高聚物的聚集态结构,在局部的区域中存在着有序结构。     

低苯乙烯含量的丁二烯-苯乙烯共聚物的激基缔合物荧光研究

本文报导一种低苯乙烯含量(5％,Wt.)的丁二烯-苯乙烯共聚物,经~1H NMR证明其分子链上不存在相邻苯乙烯单元。荧光光谱结果表明,它在良溶剂(二氯乙烷)的稀溶液状态下只呈现单分子荧光。从良溶剂-θ溶剂(二氯乙烷-甲醇体系)及稀溶液-浓溶液-固体之荧光光谱的变化,证明形成了链内非近邻生色团之间和链间生色团之间的激基缔合物(Excimer)。从固体与θ溶剂的激基缔合物荧光的比较,还可区分链内非近邻和链间苯环形成激基缔合物对荧光强度的贡献。这一结果对阐明高分子链内非近邻和链间激基缔合作用提供了新的证据,并有助于了解高聚物本体中相互穿透、相互缠结的无规线团的形态。     

大分子溶致凝聚过程中体系熵值的变化

讨论了大分子溶致凝聚过程中体系熵变的特点和影响。在分子链无规凝聚形成无定形聚合物时,正是熵增的贡献使体系自由能下降,无规凝聚过程得以进行。在有规凝聚形成结晶聚合物时,熵变对结晶过程产生复杂影响。由于熵变和内能变化相互竞争,使溶致结晶时最优生成的晶体结构为松散折叠链片晶;而从熔体结晶时则得到晶相和非晶相(无定形相)两相并存的复杂结构。区分了两类不同性质的熵变:阶跃性熵变导致熵致相变发生;渐变性熵变使体系力学性质变化或发生力学状态转变。     

硫化反式聚异戊二烯电子性质的理论化学研究

应用量子化学计算方法,对反式聚异戊二烯本征态和硫化态结构的能量及电子性质等进行了计算.结果表明,当聚异戊二烯掺杂硫后,相邻两链之间的距离a⊥变窄,体系的总能量降低,从而使整个掺杂体系更加稳定.另外,在硫化聚异戊二烯分子中,S原子位于两个相邻聚异戊二烯链之间,并偏向于其中一个分子链的C C双键的一侧,即与相邻两链中相对应的两个C C双键形成π-p-π共轭体系,增加了电子在两个聚异戊二烯链间的流动性,从而使硫化的反式聚异戊二烯更加稳定.另外,根据固体能带理论,采用量子化学EHMO方法,对反式聚异戊二烯本征态和硫掺杂态的能带结构进行了计算,根据硫化前后能隙和带宽的变化,解释了反式聚异戊二烯掺杂后呈现电导率各向异性的原因.     

二维相关红外光谱研究再生蚕丝蛋白膜的构象与温度之间的关系

通过二维相关红外光谱,研究了再生蚕丝蛋白膜的构象及其转变与温度之间的关系.实验结果表明,将样品从130℃升温到220℃、或在180℃的恒温过程中,丝素蛋白分子链的构象会发生变化,且不同构象对温度升高过程或180℃恒温过程响应的顺序是无规线团变化先于β-折叠、α-螺旋的形成.     

光谱法研究pH值对再生桑蚕丝素蛋白在水溶液中结构的影响

通过一系列光谱实验手段研究了再生桑蚕(Bombyx mori)丝素蛋白在水溶液中的构象转变情况. 由于丝素蛋白含有较多带电荷的氨基酸残基, 因此环境pH值对丝素蛋白的结构有着一定的影响: 酸性越强, 丝素蛋白越容易发生从无规线团到β-折叠结构转变; 相对而言, 碱性条件则更有利于丝素蛋白以无规线团结构稳定存在. 特别是当pH在4附近时, 丝素蛋白的无规结构最易发生改变; 而pH为6左右时, 丝素蛋白的结构则较为稳定. 这种变化趋势与沿着成熟蚕腺体中丝素蛋白所处的环境及其状态相当吻合, 由此表明pH值的调节是蚕在生物体中控制其丝素蛋白状态的一个相当重要的手段. 这一结果对人工纺制动物丝条件的调控有着极其重要的现实意义. 同时我们还发现, 在相当宽的pH范围内, 丝素蛋白的二级结构存在着中间体形态, 表明丝素蛋白的变性过程不符合简单的二态机制.