聚乙烯单晶纳米力学性质的单分子力谱研究

基于原子力显微镜(AFM)的单分子力谱技术(SMFS),在单分子水平上研究聚乙烯单晶中单分子链在外力诱导下的熔融过程.研究表明,随着聚乙烯单晶厚度的增加,熔融解链过程需要破坏的作用位点随之增加,解链力值显著提高;刚性力加载装置会降低作用位点解离速率,进而升高解链力值,促进力学稳定性相对较差的中间态形成.     

聚合物单分子力谱的研究进展

在单分子水平研究聚合物体系的分子内及分子间相互作用, 对于揭示其结构-性能的关系, 进而实现对相应功能的调控极为重要. 基于原子力显微镜技术(AFM)的单分子力谱, 由于其操作简单且适用面广, 在单分子研究领域得到了广泛的应用. 本文概括了该技术在生物高分子及合成高分子体系的研究进展. 对于生物高分子体系, 主要介绍了核酸(DNA/RNA)、 蛋白质和多糖(淀粉)的单分子力谱研究及利用各自力学指纹谱对其它分子间的相互作用的研究. 对于合成高分子体系, 主要介绍了聚合物的一级结构与单链弹性的关系及溶剂和聚集态结构等对高分子单链力学性质的影响规律.     

光响应超分子聚合物

超分子聚合物是超分子化学、高分子化学和材料化学领域的研究热点.将光响应的功能基团以非共价作用构筑到超分子聚合物体系中,得到光响应型超分子聚合物,从而能够将超分子聚合物的独特性质与光化学反应的优势有效地结合起来,从而构筑新型的光功能材料.本文总结了近年来本课题组有关光响应超分子聚合物方面的研究工作:介绍了主链型的光响应超分子聚合物的光调控组装和解离,超分子聚合物和共价聚合物的光控可逆切换和光调控组装形貌;另外还举例介绍了具有自修复和室温磷光发射等功能的侧链型光响应超分子聚合物,并对刺激-响应的超分子聚合物领域的发展做了展望.     

基于荧光共轭聚合物的金属离子传感研究

设计合成了一系列结构相似的共轭主链含5%苯并噻二唑结构单元及侧链带胺类金属离子螯合基团的阴离子型水溶性共轭聚合物PFA, PFBTA和PFBTNA, 并对它们在不同极性溶剂中的光物理性质进行了研究. 利用分子主链含适量苯并噻二唑共聚单元的聚芴衍生物聚集态不同荧光光谱及颜色发生显著变化这一特性, 研究了这一系列水溶性聚芴衍生物在水/甲醇(9/1)溶液中对金属离子的荧光响应过程. 结果表明, 金属离子不仅能通过能量及电荷转移猝灭聚合物荧光, 还可以通过静电相互作用力使聚合物聚集态发生改变, 进而影响聚合物的光学性质. 同时分子链上引入金属离子螯合基团能够显著提高体系的检测灵敏度, 聚合物PFBTA和PFBTNA可以特异性识别Cu²⁺离子, 并且可做为其它金属离子的广谱型比色法检测材料.     

芳酰胺折叠体分子内N—H…OMe氢键强度评估

为了评估分子内N—H…OMe氢键诱导的芳酰胺折叠体分子内氢键的稳定性, 我们从相应间-苯二胺和间-苯二甲酸前体出发构筑了3个三、五和七聚体芳酰胺折叠体, 并合成了3个并入这些折叠体片段的基于十六烷二胺的酰胺聚合物. ¹H NMR, 定量芳酰胺氢-氘交换和晶体结构研究揭示, 折叠体中间区域的氢键最弱, 而处于骨架两端的氢键最为稳定. 氢-氘交换实验测定出了不同酰胺氢发生这一过程的半衰期, 最大差别约为8倍. 对并入折叠体片段的聚合物的单分子力谱(SMFS)研究揭示, 折叠体片段内不同区域分子内氢键的稳定性与单个折叠体分子内相应位置氢键的稳定性一致. 通过SMFS实验, 我们还测定出了不同氢键的绝对力值. 结果显示, 并入到聚合物中的短的三聚体折叠体具有最强的分子内氢键, 而五聚体和七聚体折叠体的部分分子内氢键较弱, 其力值出现在较低位置.     

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。     

pH敏感型智能高分子单链力学性能研究

pH敏感高分子是智能高分子的重要分支,基于其体积、质量或者弹性等参数随pH值变化的性质,可以应用在生物、化学和微/纳机械等多个领域.现有研究多集中在应用领域,缺乏从更深层次的机理上的研究,因此亟需在分子水平上对pH敏感高分子的环境敏感机理进行研究.本工作基于控制变量实验法,利用基于原子力显微镜的单分子力谱技术(SMFS...     

硫酸钠诱导单链聚(N-异丙基丙烯酰胺)相变的单分子力谱研究

聚（N-异丙基丙烯酰胺） （PNIPAM）具有独特的相变行为,已成为人们研究蛋白质折叠等生命过程发生机理的模型体系. 我们利用基于原子力显微镜（AFM）的单分子力谱技术（SMFS）研究了单链PNIPAM在硫酸钠诱导下的相转变过程,并定量化了相变后所形成塌缩结构的稳定性. 通过对单链PNIPAM的单分子力谱实验得知：在相变前,得到单调上升的力曲线,对应着PNIPAM无规线团结构的形变过程;相变后,得到的锯齿型力曲线,对应着PNIPAM塌缩结构在外力诱导下的解折叠过程. 首次从单分子水平观察到在外加盐的作用下,单链PNIPAM低温相转变和高温相转变的差异：相比于低温相转变,高温相转变生成的塌缩结构更加稳定.     

含硫/硒动态共价键强弱的测定

含硫、硒元素的化学键是重要的光响应动态共价键,本文试图从分子作用力的角度研究它们为何具有不同灵敏度的动态特征,采用基于原子力显微镜的单分子力谱(AFM-SMFS)对含硫、硒元素的动态共价键进行研究,揭示了其兼具稳定性与响应性的内在原因.用化学方法在石英基底上修饰了二硫键或二硒键,通过前述3种化学键的光控动态交换过程,分别得到了含有单个二硫键、硒硫键或二硒键的高分子修饰的石英基底.利用单分子力谱测量了这3组动态共价键的断裂力值,在200 nm/s的拉伸速度下,二硒键的断裂力为(1100±300) pN,硒硫键的断裂力为(1320±330) pN,二硫键的断裂力值为(1450±300) pN,它们的强度从大到小依次为SS SSe SeSe.单分子力谱结果表明动态共价键的强度介于非共价相互作用与传统意义上的稳定共价键(如C―C键)之间,这是它们兼具响应性和稳定性的原因之一.     

多相聚合物微观结构和分子间相互作用的固体NMR研究

近年来固体核磁共振(NMR)技术在聚合物材料表征领域正发挥着越来越重要的作用,已经成为研究聚合物微观结构、链段动力学、分子间相互作用等微观信息及阐明材料结构-功能-性质关系必不可少的重要手段.本文将综述我们近年来系统构建和发展的固体NMR方法及其在研究多相聚合物微观结构、分子间相互作用和交联网络等问题中的应用.此外,针对存在不均匀性动力学的多相聚合物体系,我们发展了增强固体NMR谱图灵敏度的新方法.     

单体结构对全息聚合物分散液晶光栅稳定性的影响

使用3种不同化学结构的单体材料制备了全息聚合物分散液晶光栅,并从光栅形貌、衍射能力、驱动特性、聚合物热稳定性4个方面评价了光栅的热稳定性.研究发现,含有刚性结构单体材料体系的光栅形貌、衍射能力等方面在200℃的温度下没有明显变化.表明光栅的热稳定性与单体材料的化学结构密切相关,单体材料中含有刚性结构有助于光栅热稳定性的提高.利用热重分析(TGA)对光栅中聚合物材料热分解温度进行了测定,并结合Freeman-Carroll微商法计算出了上述聚合物的分解活化能和分解反应级数.结果发现,含有刚性结构的聚合物材料的热分解温度、分解活化能和分解反应级数都高于柔性链结构材料,进一步验证了材料体系中刚性结构的添加有助于提高光栅的热稳定性.     

超分子树枝聚合物的起源与发展

超分子树枝聚合物起源于聚合物链结构的2个重要进化(树枝链和超分子),是通过建筑模块在芯、支化单元或表面的分子自组装(非共价键连接)生成的树枝聚合物,具有独特的结构特征和新颖的物理、化学等功能。超分子树枝聚合物的进一步自组织可形成液晶态或柱状体等有序结构。超分子树枝聚合物可分为氢键型、金属配位型、π-π堆叠型、离子型、拓扑型(含轮烷和索烃结构)、混合型(含2种或2种以上不同非共价键)等类型。本文综述各种类型超分子树枝聚合物的合成、结构、聚集态和应用。     

环形侧链聚合物刷的合成与表征

通过grafting-onto方法合成高侧链接枝密度的环形侧链聚合物刷并进行结构表征.先通过开环易位聚合(ROMP)制备带有炔基侧基的线形聚降冰片烯衍生物主链(l-PND),通过原子转移自由基聚合(ATRP)和铜催化的叠氮-炔环加成(Cu AAC)反应制备带有一个叠氮基的环形聚丙烯酸叔丁酯侧链(c-Pt BA),再利用Cu AAC反应将环形侧链高密度地接入主链,得到环形侧链聚合物刷.通过核磁氢谱(1H-NMR)、凝胶渗透色谱(GPC)和红外光谱(IR)对聚合物主/侧链及聚合物刷的结构和组成进行了表征.该聚合物刷主链聚合度为400,高接枝密度的环形侧链使主链构象伸展.聚合物刷在原子力显微镜(AFM)下呈单分子蠕虫形貌(柱状形貌),分子长度为200 nm,直径为30 nm.     

多孔配位聚合物晶态转换研究进展（摘要）

近年来,多孔配位聚合物内客体分子去除或迁入导致的晶态转换及相关效应研究方兴未艾.晶态转换尤其是单晶到单晶结构转换作为研究主客体化学的新方法,可以揭示多孔配合物框架与客体分子之间的内在联系.本文从客体去除或迁入导致的晶态转换出发,重点介绍了本课题组多孔配位聚合物方面的工作以及近四年来国际上多孔配位聚合物晶态转换研究进展.其中,以单晶到单晶方式进行的多孔配位聚合物配体取代反应以及后合成调控,区别于传统的客体去除或交换引起的晶态转换,在本文中得到重点阐述.此外,本文简要概括了国内晶态转换研究现状.作为一个热点领域,研究晶态转换不仅有助于应对多孔配位聚合物体系实现吸附、磁性、光电性质多功能原位跟踪研究的挑战,也为未来设计客体导向的多孔智能材料提供研究方法与基础.随着X射线单晶衍射、X射线粉末衍射、同步辐射光源、中子衍射以及非弹性中子散射在内的系列结构表征技术的不断进步,必将极大促进晶态转换的研究.     

水溶性共轭聚合物分子刷的研究进展

水溶性共轭聚合物研究属于国际前沿研究领域,因其具有水溶性和超级信号放大作用,在生物传感领域展现出良好的应用前景.但由于传统水溶性线型共轭高分子两亲性结构特点,其含有的憎水性刚性共轭链在水溶液中易聚集,水分子对共轭链激发态的影响导致其发光效率低(一般小于30%),严重制约了其应用与拓展.如何方便有效构筑高分子的高支化是获得高荧光效率的关键.在本篇综述中,我们综述了水溶性共轭聚合物分子刷的合成技术,分析了其结构与光学性质的关系,为水溶性共轭聚合物分子刷的设计和制备提供指导.另外,总结了水溶性共轭聚合物分子刷在化学生物传感、生物成像、药物运输、癌症治疗等领域的应用,最后对水溶性共轭聚合物分子刷存在的主要问题以及未来的热点方向进行了分析和展望!     

基于冠醚和柱芳烃主客体识别的超分子聚合物材料

超分子聚合物材料是高分子科学、超分子化学和材料科学3个学科相结合的产物.通过精妙的设计,我们不仅可以赋予它传统高分子材料所拥有的光学、电学以及力学等性能,同时还可以使其具有超分子材料的动态可逆性和刺激响应性.已用于构筑超分子聚合物材料的主客体识别体系有很多,从识别体系中的主体来说,包括基于冠醚、环糊精、杯芳烃、葫芦脲、柱芳烃等大环的主客体体系.其中,冠醚作为第一代大环主体,它的模板合成直接开辟了超分子化学这一领域,而柱芳烃是最近发展起来的一类新的大环主体,它具有刚性的骨架,并且制备简单,容易功能化,同样也受到超分子化学家们的广泛关注.本文着重综述了我们课题组基于冠醚和柱芳烃主客体识别所构筑的超分子聚合物材料.在这些材料的制备中,我们利用了主客体识别的刺激响应性、可逆性和选择性,来实现对这类材料的组装结构以及功能的精确调控.     

具有可见光响应聚合物纳米粒子的制备及性能研究

利用可见光响应供体-受体Stenhouse加合物(DASAs)设计并制备了2种表面含有可见光响应单元的聚合物纳米粒子,并对纳米粒子的光响应性进行了研究.首先合成了修饰DASA分子的聚合物PGMD,研究结果表明PGMD可溶于与水互溶的有机溶剂(如DMSO)中并具有良好的光响应性,PGMD链段可在可见光刺激下响应为亲水状态.因此,含有PGMD链段的嵌段共聚物PCL-b-PGMD可在水中自组装形成胶束,并能与PCL-b-PEG在水中共组装形成复合壳层胶束,但PGMD链段在水中无法可逆响应为疏水状态.为获得具有可逆响应性的聚合物纳米粒子,利用硅烷偶联剂水解修饰的方法得到表面含有疏水三烯状态DASA分子与亲水PEG短链的复合壳层二氧化硅纳米粒子,实验结果表明复合壳层二氧化硅纳米粒子在水环境中有良好的分散稳定性,并且表面修饰的DASA分子仍具有良好的响应性.本研究为设计表面性质可调的响应性聚合物纳米粒子提供了新的设计思路.     

类蜘蛛丝聚合物结构及分子运动的固体核磁共振研究

运用固体核磁共振(NMR)技术研究了聚丙氨酸多肽片段(Ala)5与高分子齐聚物聚苯乙烯(PS, 分子量2000)及聚异戊二烯(PI, 分子量2210)共聚而成的类蜘蛛丝蛋白聚合物——聚苯乙烯-co-聚丙氨酸聚合物(PS-co-PAL)和聚异戊二烯-co-聚丙氨酸聚合物(PI-co-PAL)的结构及分子运动. 聚合物13C CP/MAS NMR(交叉极化/魔角旋转核磁共振)谱及其旋转坐标系中自旋-晶格弛豫时间(T1ρ(13C))的结果表明, 此两种聚合物中多肽片段(Ala)5具有相同的化学位移, 即相似的化学环境和二级结构, 并具有相近的T1ρ(13C), 即类似的聚集态结构. 聚合物的宏观力学性质明显不同: 常温下, PS-co-PAL呈硬颗粒状, PI-co-PAL呈橡胶状且易拉伸. 结果说明聚合物力学性质与高分子链段的性质密切相关. PI-co-PAL聚合物的PI链段, 其骨架—CH2CH—的T1ρ为(5.3±0.4) ms, 而PS-co-PAL聚合物的PS链段, 其骨架—CH2CH—的T1ρ为(47.0±5.5) ms, 说明二聚合物中PI链段较PS链段更为柔软. 另外, 基于密度泛函理论(DFT)的化学位移计算证明, 聚合物PS-co-PAL和PI-co-PAL中多肽片段(Ala)5的二面角均为(-131°, 142°), 说明它们以β-折叠构象存在.     

基于胆汁酸的刺激响应聚合物

刺激响应聚合物是当今材料科学研究的热点之一。其在外界刺激下,自身的物理或者化学性质发生变化产生响应,在药物可控释放、生物传感器、催化、吸附分离等方面有广阔的应用。胆汁酸是天然的甾类生物分子,其分子结构中含有羟基和羧基等官能团,容易进行化学修饰,且具有双亲性和一定的刚性。在聚合物中引入胆汁酸分子,能够从结构和功能两个方面丰富刺激响应高分子的研究。一方面,胆汁酸及修饰的胆汁酸既可以作为单体直接聚合,也可以被连接到含有一定官能团的聚合物上,由此可以得到以胆汁酸作为主链、侧基、端基,以及胆汁酸作为星形聚合物的核等多种聚合物结构。另一方面,胆汁酸的引入不仅可以提高聚合物的生物相容性,有效地赋予聚合物胆汁酸结构的独特性质,而且可以用于构建具有一定刺激响应功能的组装结构,进而应用于形状记忆、手性分离、药物载体等材料中。本文综述了基于胆汁酸的刺激响应聚合物近年来的相关工作,从基于胆汁酸的刺激响应聚合物的分子设计和结构构筑出发,结合其性质和应用进行论述,也对该领域的改进和发展提出展望。     

聚苯乙炔衍生物的纳米力学性质

基于原子力显微镜技术的单分子力谱方法及圆二色谱法,从单分子水平定量研究了侧链带有酰胺键的聚苯乙炔衍生物所形成的螺旋结构稳定性及影响因素.单分子力谱实验结果表明,向体系中掺杂碘单质后,高分子主链螺旋结构稳定性下降,力谱拉伸曲线平台力值降低;升高溶液pH值后,高分子主链螺旋结构完整性下降,力谱拉伸曲线平台长度缩短.