水蒸气诱导两性离子聚合物刷的构象转变

我们把Flory Huggins模型(association models)推广应用到暴露于水蒸气中的两性离子聚合物刷体系,考虑两性离子聚合物-水氢键(P-W氢键)与两性离子聚合物链间两亲离子单体-单体键合(zwitterions complex)、形成氢键与两性离子聚合物链构象的耦合特性,研究水蒸气诱导的两性离子聚合物刷构象转变的机理和相行为.研究发现,随着水蒸气浓度的增加,P-W氢键效应会使得两性离子聚合物刷溶胀;两亲离子单体-单体键合效应会导致水分子将会被排出刷外,并会导致两性离子聚合物刷塌缩.通过分析两性离子聚合物刷的相图发现,P-W氢键效应在决定两性离子聚合物刷的相行为中起到主导作用,在水蒸气增加过程中两性离子聚合物刷将会单调溶胀.基于本文的分析,可以预言,由于P-W氢键效应,两性离子聚合物刷可以吸附水蒸气,当两性离子聚合物链接枝密度足够高时,两性离子聚合物刷内的水分子将会被排出,并会形成两亲离子单体-单体键合连接的凝胶状结构.     

水蒸气诱导聚电解质刷的构象转变

我们把Flory-Huggins模型(association models)推广应用到暴露于水蒸气中的聚电解质刷体系,考虑聚电解质-水氢键(P-W氢键)与水-水氢键(W-W氢键)、形成氢键与聚电解质链构象的耦合特性,研究水蒸气诱导的聚电解质刷构象转变的机理.研究发现,当P-W氢键效应起主导作用时,随着水蒸气浓度的增加,聚电解质刷会单调溶胀;P-W和W-W两种氢键效应,则会导致随着水蒸气浓度的增加,聚电解质刷的构象首先塌缩,然后开始溶胀的反常转变行为.基于本文的分析,可以预言,由于P-W氢键效应,聚电解质刷可以吸附水蒸气,吸附能力随聚电解质链长的增加而增强;当聚电解质链接枝密度足够高时,由于P-W和W-W两种氢键效应,增加体系中的水蒸气,会在聚电解质刷体系中形成由P-W氢键和W-W氢键交错链接的三维网络状凝胶结构.     

水蒸气诱导聚电解质刷的构象转变

我们把 Flory−Huggins 模型(association models)推广应用暴露于水蒸气中的聚电解质刷体系,考虑聚电解质-水氢键(P-W氢键)与水-水氢键(W-W氢键)、形成氢键与聚电解质链构象的耦合特性,研究水蒸气诱导的聚电解质刷构象转变的机理.研究发现,当 P-W 氢键效应起主导作用时,随着水蒸气浓度的增加,聚电解质刷会单调溶胀;P-W 和 W-W 两种氢键效应,则会导致随着水蒸气浓度的增加,聚电解质刷的构象首先塌缩,然后开始溶胀的反常转变行为。基于本文的分析,可以预言,由于 P-W 氢键效应,聚电解质刷可以吸附水蒸气,吸附能力随聚电解质链长的增加而增强;当聚电解质链接枝密度足够高时,由于 P-W 和 W-W 两种氢键效应,增加体系中的水蒸气,会在聚电解质刷体系中形成由 P-W 氢键和 W-W 氢键交错链接的三维网络状凝胶结构。     

水合作用与 pH 调控两性离子聚合物刷的相变行为

本文基于Flory-Huggins理论,建立理论模型研究水合作用与pH调控两性离子聚合物(ZP)刷的相变行为.理论模型考虑ZP的水合作用,以及ZP刷体系中的静电作用.研究发现,在不同pH条件下,ZP刷的体积分数随着水合作的减弱而的增加.随着pH的变化,ZP刷构象随着水合性转变行为明显改变,这是由于pH调控ZP链单体带有过多的净电荷(正电荷或负电荷),致使ZP链内出现静电排斥导致ZP刷溶胀.另外,当ZP链单体呈现过多的净电荷,会在很大程度上决定ZP刷体系静电势,影响ZP刷的相变行为.通过考察体系自由能,我们还发现,ZP刷体系自由能呈现了极大值,随着pH值的变化,自由能呈现的极大值随之改变,由此表明了体系的不稳定性,进而导致ZP刷体系发生相变.     

多价抗衡离子诱导聚甲基丙烯酸N,N-二甲基氨基乙酯(PDMAEMA)刷构象转变的UCST行为

本文应用分子场理论,研究pH、[Fe(CN)_6]~(3-)诱导聚甲基丙烯酸N,N-二甲基氨基乙酯(PDMAEMA)刷的上临界溶解温度(UCST)构象转变与结构特性.理论模型考虑p H和[Fe(CN)_6]~(3-)对PDMAEMA刷体系的静电调控作用.研究发现,在不同[Fe(CN)_6]~(3-)浓度、不同p H条件下,PDMAEMA刷呈现了UCST构象转变行为.由于p H调节PDMAEMA单体质子化,[Fe(CN)_6]~(3-)通过与PDMAEMA带正电荷的单体结合,形成了在PDMAEMA链内以[Fe(CN)_6]~(3-)为中介的带电单体间的静电吸引结合.随着温度升高,[Fe(CN)_6]~(3-)与PDMAEMA带正电荷的单体结合被破坏,[Fe(CN)_6]~(3-)在链内凝聚导致的静电屏蔽效应减弱,PDMAEMA链内带电单体间的静电排斥增强,PDMAEMA刷的构象呈现了从塌缩到溶胀的UCST转变行为,并且在较高[Fe(CN)_6]~(3-)浓度条件下,PDMAEMA刷构象转变的UCST增高.在较低p H值条件下,较多的PDMAEMA单体被质子化,[Fe(CN)_6]~(3-)与PDMAEMA带正电单体的结合增强,PDMAEMA刷构象转变的UCST增大.基于pH和[Fe(CN)_6]~(3-)对PDMAEMA刷体系中的静电调控效应,可以预言,在较小p H和较大[Fe(CN)_6]~(3-)浓度条件下,PDMAEMA链在垂直培基表面沿着链方向形成结节状结构.这是由于以[Fe(CN)_6]~(3-)为中介的链内带电单体间的静电吸引作用增强,导致临近单体间汇聚结节.我们的理论结果符合实验观测,由此表明,pH调节PDMAEMA单体的带电状态,以及[Fe(CN)_6]~(3-)在PDMAEMA链内凝聚导致的静电屏蔽效应,决定着PDMAEMA刷的UCST构象转变和结构特性.     

水合作用与pH调控聚电解质刷的构象转变

我们基于Flory-Huggins理论,建立理论模型研究水合作用与pH调控聚电解质刷的构象转变.理论模型考虑聚电解质链与水分子间的作用(聚电解质链的水合作用)、体系中的静电作用.研究发现,随着水合作用的改变,聚电解质刷出现由溶胀到塌缩的构象转变.由此表明了水合作用可在很大程度调节聚电解质刷的相变.通过分析pH的调控效应我们还发现,在碱性环境中(pH=8),聚电解质链单体的解离度增大,静电排斥会使得聚电解质刷溶胀.由此表明,聚电解质刷内水合作用与静电效应的耦合,将会共同决定聚电解质刷的构象转变特性.理论结果深刻揭示了水合作用的改变,会使得聚电解质刷体系发生相变,pH可在很大程度上改变其相变特性.     

聚酯聚氨酯分子动力学的核磁共振研究

测量了对聚酯聚氨酯在浓溶液状态下质子自旋-晶格弛豫时间随温度的变化,对其中有代表性的基团进行了详细的研究,根据BPP理论用各向同性模型计算分子局部运动的相关时间,从计算结果来看,聚酯聚氨酯的局部分子运动是符合BPP理论的,硬链段的局部分子运动比软链段的局部分子运动要慢得多,两者相差至少一个数量级以上;质子的自旋-晶格弛豫时间主要是偶极-偶极作用的影响;强烈的氢键有相互作用使得硬链段基因的局部运动相关时间接近;通过形成氢键不同的NH峰的相关时间和活化能的观察可以研究软、硬段间的相互作用。     

共轭聚合物单分子构象和能量转移特性研究

利用基于宽场显微光学系统的单分子散焦成像技术测量了不同构象poly[2,7-(9,9-dioctylfluorene)-alt-4,7-bis(thiophen-2-yl)benzo-2,1,3-thiadiazole](PFO-DBT)共轭聚合物单分子的光物理与动力学特性.通过分析共轭聚合物单分子的荧光轨迹和对应的发射偶极取向变化识别共轭聚合物单分子发光单元,发现延伸构象下的单分子呈现多发色团发光特性,而折叠构象下的单分子保持高效链间能量转移,呈现单个发色团发光特性.共轭聚合物单分子构象对能量转移效率的影响可用于研究基于共轭聚合物的光电器件和分子器件.     

先进固体NMR技术研究高分子结构与动力学

随着固体NMR理论和谱仪硬件技术的不断发展,近年来固体NMR技术在高分子多尺度结构与动力学研究领域中正发挥着越来越重要的作用. 多脉冲及高速魔角旋转（MAS）等质子高分辨技术的发展使得高灵敏度的¹H谱可有效地用于高分子化学结构与链间相互作用的检测;基于化学键（J-耦合）相关和通过空间（偶极耦合）相互作用的各种二维异核相关谱NMR新技术,使得复杂高分子的链结构得以严格解析. 基于MAS下同核和异核偶极-偶极相互作用、化学位移各向异性等各向异性相互作用重聚的系列新技术,使得研究者可在采用高分辨¹H或¹³C 检测信号的同时检测准静态下的各向异性相互作用,进而获得与之密切相关的结构和动力学信息. 通过质子偶极滤波技术可有效检测多相聚合物中的界面相与相区尺寸、高分子共混物中的相容性等问题. 在动力学的研究中,通过质子间自旋扩散的有效压制技术和化学位移各向异性的重聚,目前已经可以有效地获取链段上单个化学键的快速局域运动以及链段的超慢分子运动. 上述丰富的多尺度NMR技术可以使研究者在不同空间和时间尺度上对高分子聚合物的微观结构、相分离和动力学行为等进行详细的研究,进而阐明高分子微观结构与宏观性能的关联. 该文以固体NMR中最主要的2类核（¹H和¹³C）的检测技术为主线,简单介绍近年来固体NMR领域的一些最新研究进展及其在高分子结构和动力学研究中的应用.     

光晶格中双组分偶极玻色-爱因斯坦凝聚体的调制不稳定性

利用线性稳定性分析的方法,对光晶格中双组分偶极玻色-爱因斯坦凝聚体(Bose-Einstein condensates,简称BECs)的调制不稳定性进行了研究.得到了光晶格中双组分偶极BECs原子系统调制不稳定性区域的分布与在位相互作用和由偶极-偶极相互作用所导致的格点间BECs相互作用之间的关系.结果显示,格点间BECs的相互作用对光晶格中双组分偶极BECs的调制不稳定性有较大的影响,这可为实际应用中如何操控双组分偶极BECs提供有用的信息. 关键词： 光晶格 双组分玻色-爱因斯坦凝聚体 调制不稳定性 偶极-偶极相互作用     

中性/聚电解质高分子混合刷对蛋白质的吸附/解吸附

本文应用分子理论,研究中性(A)/聚电解质(B)高分子混合刷对蛋白质的吸附/解吸附特性.理论模型考虑蛋白质与中性高分子A的排斥、以及与聚电解质高分子B的静电吸引.研究发现,在pH=4～6、中性高分子A处于弱水合状态时,混合刷中A高分子链塌缩,B聚电解质链溶胀.由于蛋白质和B聚电解质链间的静电吸引,导致高分子混合刷对蛋白质的吸附.当A高分子水合性增强时,A高分子链溶胀,B聚电解质链塌缩.由于蛋白质与A高分子链间的排斥作用增强,与B聚电解质链间的静电吸引减弱,混合刷对蛋白质解吸附.     

Role of hydrogen bonding in solubility of poly(N-isopropylacrylamide) brushes in sodium halide solutions

By employing molecular theory, we systematically investigate the shift of solubility of poly(N-isopropylacrylamide)(PNIPAM) brushes in sodium halide solutions. After considering PNIPAM–water hydrogen bonds, water–anion hydrogen bonds, and PNIPAM–anion bonds and their explicit coupling to the PNIPAM conformations, we find that increasing temperature lowers the solubility of PNIPAM, and results in a collapse of the layer at high enough temperatures. The combination of the three types of bonds would yield a decrease in the solubility of PNIPAM following the Hofmeister series: Na ClNa BrNa I. PNIPAM–water hydrogen bonds are affected by water–anion hydrogen bonds and PNIPAM–anion bonds. The coupling of polymer conformations and the competition among the three types of bonds are essential for describing correctly a decrease in the solubility of PNIPAM brushes, which is determined by the free energy associated with the formation of the three types of bonds. Our results agree well with the experimental observations, and would be very important for understanding the shift of the lower critical solution temperature of PNIPAM brushes following the Hofmeister series.     

Structure of complexes of sulphuretted tetraphenylporphine with poly-N-vinylpyrrolidone according to the data of small-angle neutron scattering

Aqueous solutions of poly-N-vinylpirrolidone (PVP), a typical polymer for medical purposes, containing sulphuretted tetraphenylporphirine dihydrochloride (H₂TPPS₄(HCl)₂ or TPPS) having antiviral and therapeutic properties were studied. The association of PVP chains due to their nonvalent interactions with TPPS molecules playing the role of interchain and intrachain bonds was observed in complex solution over the temperature range from 20 to 90°C. The character of conformation changes of the polymer was determined; parameters of PVP binding with TPPS were calculated. The TPPS molecules were shown to be associated with PVP ones by means of hydrogen bonds between porphyrin sulfonic groups and polarized water molecules in the polymer hydration shell.     

Percolation transition of hydration water: from planar hydrophilic surfaces to proteins

The formation of a spanning hydrogen-bonded network of hydration water is found to occur via a 2D percolation transition in various systems: smooth hydrophilic surfaces, the surface of a single protein molecule, protein powder, and diluted peptide solution. The average number of water-water hydrogen bonds at the percolation threshold varies from 2.0 to 2.3, depending on temperature, system size, and surface properties. Calculation of nH allows an easy estimation of the percolation threshold of hydration water in various systems, including biomolecules.     

Quantitative analysis of long-range interactions between adsorbed dipolar molecules on Cu(111)

Highly dispersed superstructures of a dipolar iridium complex are formed on a Cu(111) surface. We show that the dilute superstructures with density-controlled intermolecular separations are stabilized by the strong and long-range repulsive intermolecular interactions. The repulsive intermolecular interactions are quantitatively evaluated by using low-temperature scanning tunneling microscopy, which are characterized by the surface-enhanced dipole-dipole interactions.