高分子/单链高分子纳米粒子复合体系中的界面性质

高分子与纳米粒子复合是改善高分子材料性能的有效途径.近20年来关于高分子/纳米粒子复合物的研究引起了学术界广泛的兴趣.然而由于此类体系中的影响因素复杂,虽然学者们在相关材料性能的研究方面取得了重要进展,但是相关理论的发展却相对滞后,其中一个重要原因是实验上表征手段的缺失,导致对体系中纳米粒子与本体高分子链相互作用规律的认识(尤其是两者界面性质的认识)不够.本文总结和阐述了我们近几年利用分子动力学模拟技术研究高分子/单链高分子纳米粒子复合体系的主要结果,并围绕此类复合体系中的界面结构及动力学性质,讨论并总结了纳米粒子对本体高分子链的作用范围及影响规律,指出单链纳米粒子对熔体链的作用范围与纳米粒子的自身尺寸相当,而与熔体高分子链的分子量没有直接的关系.该结论将为纳米复合体系高分子理论的发展提供重要参考.     

基于原子力显微镜的高分子单分子力学研究

原子力显微镜(AFM)从根本上改变了人们对单个原子和分子的作用和认识方式。单分子力谱是基于原子力显微镜力的测量方法。概速了近年来利用基于原子力显微镜的单分子力谱研究单个高分子分子内及分子闻作用力的进展。     

单链高分子在纳米孔隙中的跨膜输运问题

针对单链高分子通过薄膜上纳米孔隙的输运这一现象分别首次实验和理论方面介绍了现今的研究进展情况.文中以理论和实验上共同关注的单链高分子跨膜输运的平均通过时间问题展开论述.具体地,作者考察了薄膜的厚度、薄膜的曲率、膜两侧的溶剂性质、单链高分子聚集态的变化以及链间相互作用等因素对输运过程的影响,并讨论了与这些因素相对应的实际应用.同时,分别对几个研究组的实验结果、解析以及模拟的理论结果进行了分析比较,旨在促进这一现象在相关领域的研究.     

电磁功能高分子复合物研究进展

综述了兼具电、磁性质的高分子复合物的最新研究进展.重点评述了通过原位聚合、电化学沉积、自组装等方法制备电磁功能高分子复合物的过程及形成机制,并对电磁功能高分子复合物的潜在应用作了介绍.     

原子力显微镜在高分子领域的应用

原子力显微镜在其发现不久即应用于高分子领域,弥补了扫描隧显微镜不能观测非导电样品的缺欠,因而受到重视,应用范围也不断扩展。最近几年,原子力显微镜的应用已由对聚合物表面几何形貌的观测发展到深入研究高分子的米级结构和表面性能等新领域,并由此导出了若干新概念和新方法。本文仅对当前原子力显微镜应用于高分子和高分子材料研究的几个重要方面举例进行介绍。     

聚丙烯酸的单分子应力-应变行为

利用原子力显微镜的一种新方法 单分子力谱技术 研究了聚丙烯酸单链的弹性性质，得到了聚丙烯酸链的拉力与拉伸曲线．其拉力与拉伸曲线可以通过修改的Ｌａｎｇｅｖｉｎ方程进行较好地拟合．结果表明聚丙烯酸链的弹性性质与长度线性成比例，聚丙烯酸链具有相同的Ｋｕｈｎ长度（０６４±００５ｎｍ）和链段弹性系数（１３０００±２０００ｐＮ／ｎｍ），充分表明我们位伸的是聚丙烯酸的单链，所测得的拉力 拉伸行为是聚丙烯酸单链的弹性行为     

稀溶液中大幅拉伸高分子单链的弛豫动力学

针对大幅拉伸的高分子单链在Θ溶剂和良溶剂中的弛豫过程,分别通过解析理论和分子动力学模拟方法研究了弛豫动力学.对比研究发现,相对于研究高分子链在平衡态下的弛豫动力学(利用有关物理量的自关联函数),本文的非平衡态方法可以明确地揭示弛豫时间与简正模式之间标度行为的动态演化.结果表明,相关的物理量在弛豫初期均受到非平衡态的影响,而在较长时间后,高分子链的弛豫动力学则与平衡态下的结果相吻合;在高分子链的最长弛豫时间与链长的标度关系方面,平衡态和非平衡态两种方法的研究结果也一致.研究结果表明,高分子链在非平衡态下的短时和长时弛豫动力学可以更加细致地阐明弛豫全过程,给出更加丰富的结构-特征关系,从而为深入探讨高分子链的非平衡弛豫提供可借鉴的线索.     

高分子单链凝聚成与线团相互穿透的多链凝聚态

高分子单链凝聚态由于链内链结构单元间存在范德化吸引作用,高分子链呈打圈链构象,而多链凝聚态由于链内链单元间的吸引作用被与相互穿透的近邻链的单元间吸引作用所屏蔽,高分子链呈高斯链构象。本文简要介绍单链凝聚态试样的制备方法,单链单晶体、单链玻璃体、溶胀的单链高弹态拉伸等的实验观察,并提出从单链凝聚态到多链凝聚态的转变过程问题,即高分子线团的相互穿透过程,目前还缺少基础了解。     

金纳米粒子与单链DNA的相互作用

研究了金纳米粒子与单链DNA在不同pH值时的相互作用以及金纳米粒子与不同碱基序列单链DNA的相互作用. 结果表明, 在pH为12.6的强碱性条件下, 单链DNA能使金纳米粒子稳定分散在溶液中; 在pH为1.4的强酸性条件下, 单链DNA能保护金纳米粒子不发生融合, 而只发生团聚, 且团聚现象具有可逆性. 不同寡核苷酸对金纳米粒子的亲和力按poly dA>poly dC>poly dT的顺序依次减弱. 单链DNA对纳米金的保护作用强度与单链DNA的长度成正比.     

原子力显微镜研究聚丙烯酸的单链力学性质聚丙烯酸的单分子力谱

自从1986年发明原子力显微镜(AFM)以来,AFM已经发展成为应用最为广泛的扫描探针显微镜[1],它给材料科学家、化学家和生物学家提供了一个极为便利的研究手段.目前,原子力显微镜的空间分辨率已经达到原子尺度,同时又具有非常高的力的敏感性,可以探测10 pN的力,这就为研究单分子的性质提供了可能性[2,3].     

Investigating the Dynamic Viscoelasticity of Single Polymer Chains using Atomic Force Microscopy

In single‐molecule force spectroscopy (SMFS), many studies have focused on the elasticity and conformation of polymer chains, but little attention has been devoted to the dynamic properties of single polymer chains. In this study, we measured the energy dissipation and elastic properties of single polystyrene (PS) chains in toluene, methanol, and N,N‐dimethylformamide using a homemade piezo‐control and data acquisition system externally coupled to a commercial atomic force microscope (AFM), which provided more accurate information regarding the dynamic properties of the PS chains. We quantitatively measured the chain length‐dependent changes in the stiffness and viscosity of a single chain using a phenomenological model consistent with the theory of viscoelasticity for polymer chains in dilute solution. The effective viscosity of a polymer chain can be determined using the Kirkwood model, which is independent of the intrinsic viscosity of the solvent and dependent on the interaction between the polymer and solvent. The results indicated that the viscosity of a single PS chain is dominated by the interaction between the polymer and solvent. © 2019 Wiley Periodicals, Inc. J. Polym. Sci., Part B: Polym. Phys. 2019 , 57, 1736–1743     

现代高分子物理课程系列漫谈——溶液中高分子单链自由能

高分子单链自由能表达式对于推导及理解高分子尺寸对聚合度的标度依赖关系至关重要,本文提供了一个基于Flory格子模型的推导溶液中高分子单链自由能的新方法。该方法消除了高分子物理教学过程中高分子溶液部分知识点的割裂问题。此外,由该方法得到的单链自由能表达式可将不同性质溶剂(即良溶剂、不良溶剂和θ溶剂)中高分子尺寸与聚合度的标度关系的推导过程统一起来,帮助学生理解各个知识点之间的深层次关系,并由此感受高分子物理之美。     

疏水高分子单链在疏水表面上吸附和扩散过程的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法研究不同聚合度(N)的聚乙烯(PE)单链在Si(111)表面上的吸附和扩散行为. 分别设置相对介电常数为1和78模拟无溶剂和不良溶剂环境. PE单链的平衡吸附构象均呈现为二维吸附构象, 但在这两种截然不同的环境中呈现不同的构象和动力学特征, 说明溶剂环境对于疏水高分子单链在疏水表面上的吸附和扩散起到了很大的作用. 吸附能与聚合度呈线性关系, 单位链长的平均吸附能是-0.38 kJ·mol^-1. 另外, 扩散系数(D)与聚合度之间的标度关系是D~N^-3/2.     

聚合物表面的纳米力学研究

综述了近些年才开展的采用原子力显微技术,在聚合物表面进行纳米力学测量的实验方法和基本理论的进展,内容包括分子链的纳米强度测量,纳米力学各向异性的表征,表面分子间的纳米相互作用,表面形貌的纳米测量以及表面微区的纳米粘弹性研究。     

电响应聚合物薄膜的表面图案化

由于图案化的功能表面在制备微流体器件和生物芯片等方面具有巨大应用潜力而备受关注,表面图案化的方法很多，如微接触印刷、光刻蚀和电子束刻蚀等等,聚2-丙烯酰胺基-2-甲基丙基磺酸（PAMPS）是一种电响应聚合物，在电场的作用下其体积能发生大幅度的变化，我们曾经报道通过带偏压的原子力针尖对PAMPS薄膜的微观浸润性进行调控,本文采用预先结构化的电极对薄膜施加电场，实现了其表面性质的图案化控制，对制备新型聚合物微器件具有重要意义。     

Orientation control of ferroelectric polymer molecules using contact-mode AFM

We have developed an orientation control technique for polymer molecules utilizing contact-mode atomic force microscopy (AFM). In this technique, the molecular chains were directly modified by scanning an AFM cantilever tip in contact with the film surface at the temperature just below its melting point. We call this process “modification scan”. Here, we applied this technique to poly(vinylidenefluoride-trifluoroethylene) (P(VDF-TrFE)) thin films on graphite and glass. We prepared a 75-nm thick copolymer crystalline film on graphite whose lamellar plane was perpendicular to the substrate (edge-on), and also prepared a film of the same thickness on glass whose lamellar plane was parallel to the substrate (flat-on). After applying this technique on both films, molecular chains were stretched and aligned to the modification scan direction, and new edge-on crystals were obtained, whose lamellar planes were well-aligned perpendicular to the modification scan direction.     

Monte Carlo模拟研究高分子单链在基体中扩散的拓扑效应

高分子流体的性质同高分子的链结构及其动力学行为密切相关. 在高分子共混物中,共混组分的性质不仅依赖于自身的拓扑结构,还受到其它组分分子拓扑的影响. 本文中采用基于格子模型的Monte Carlo模拟方法研究了在高分子基体中扩散的4种不同拓扑组合（环形或线形高分子链）体系中目标单链的静态和动态性质. 结果发现,环形目标单链的性质受基体分子拓扑结构的影响要大于线形目标单链;其中环/线这一拓扑组合中目标单链的扩散机理相比其本体已经发生了较大改变,链末端在其中起了重要作用. 此外,我们对引起这一现象出现的可能原因做了分析.