固体NMR研究PAA/PEO共混物中氢键相互作用与结构演化

分子间相互作用是决定材料结构和性能的关键因素之一,而如何在分子水上实现对复杂相互作用分子的检测仍然是一个挑战性课题。本工作首先在不同p H值条下以聚丙烯酸/聚环氧乙烷(PAA/PEO)的混合水溶液制备了系列的固体薄膜,然后采用多种基于连续相调制多脉冲技术的一维和二维~1H多脉冲去耦(CRAMPS)固体NMR新技术,并结合高分辨~(13)C交叉极化魔角旋转(CPMAS)、~(23)Na多量子(MQ)等多核固体NMR实验,对PAA/PEO聚合物共混物的微观结构和动力学进行了原位和系统的研究。通过不同类型的~1H高分辨CRAMPS实验检测到共混物中包含多种不同类型质子:通过氢键相互作用形成二聚体的COOH基团、自由COOH基团、与水结合的COOH基团和主链基团。随着p H值的升高,除主链质子外,大部分其它区域的信号都明显降低,这是由于PAA与PEO以及水的氢键作用减弱所致。这些CRAMPS NMR技术也被用来阐明不同p H值制备的样品中不同基团的分子运动性。此外,二维~1H-~1H自旋交换NMR实验提供了关于聚合物PAA与PEO大分子链间、以及水与聚合物的相互作用。~1H自旋扩散实验表明,在这些共混物中明显存在相微观相分离的结构,并且测定的分散相区尺寸约为17 nm。~(23)Na MQMAS实验揭示了在共混物中存在两种类型~(23)Na位,一种是自由的钠离子,另一种是与大分子相互作用的Na离子。特别是通过~1H-检测的~(23)Na-~1H CPMAS实验揭示了Na~+离子的位置远离PEO而与PAA临近。上述这些SSNMR实验结果在分子水平上提供了氢键相互作用对PAA/PEO共混物微观结构和动力学影响的详细信息,可以获得不同p H值对PAA与PEO的氢键作用、相容性、微观结构、水-聚合物相互作用和不同组分分子运动性的影响。在上述核磁共振研究的基础上,我们提出了一种新的PAA/PEO共混物的结构模型,该模型首次成功地揭示了不同的p H值对PAA/PEO共混物中微观结构和动力学的影响。本工作清楚地表明,固态核磁共振是在分子水平上研究具有复杂相互作用的多相聚合物材料的有力工具。本文的研究工作对于探索检测聚合物弱相互作用的新方法和发展基于氢键相互作用的聚合物新材料的开发具有重要意义。     

多学科交叉研究中的固体核磁共振

正自1946年发现核磁共振现象以来,核磁共振(NMR)在现代基础研究和工业应用中都产生了广泛且重要的影响。固体NMR是一种研究固体材料的重要分析技术,与X射线衍射相比,它对体系中的近程有序变化更为敏感,能够在原子分子水平上研究各类非晶固体材料的微观结构和动力学行为。固体NMR已被广泛应用于多相催化、聚合物、     

固体核磁共振研究进展——邓风研究员及其团队专访

正与X射线衍射相比,固体核磁共振(NMR)作为一种重要的谱学技术,它对体系中的近程有序变化更为敏感,非常适合用于研究各类非晶固体材料的微观结构和动力学行为,能够提供原子分子水平的结构信息。固体NMR已被广泛应用于多相催化、聚合物、玻璃、锂电池、纳米材料、药物和膜蛋白等诸多     

金属有机框架材料的结构、动力学行为和主客体相互作用的固体核磁共振研究

金属有机框架材料(MOFs)在绿色能源气体储存、二氧化碳捕获、化学分离、化学传感和多相催化等领域有着广泛的应用前景,与其分子结构、动力学行为以及与客体分子的相互作用密切相关。固体核磁共振(NMR)能提供原子水平的结构距离信息,能从多个时间尺度反映分子动力学行为,能通过极化转移揭示主客体相互作用。本文综述了近年来先进的固体核磁共振方法在研究MOFs的结构、动力学行为以及主客体相互作用等方面的研究进展。多核、多维固体NMR可给出MOFs材料的金属中心以及有机配体的局部配位状态,变温固体NMR可以反映MOFs的分子柔性以及有机配体在不同温度下的运动模式及速率。固体NMR还可用来研究MOFs与吸附客体分子(如甲烷、二氧化碳等)之间的相互作用模式。通过固体NMR技术获得的结构信息有助于人们理解MOFs材料的构效关系,并为合理设计新型的MOFs材料提供依据。     

高分子多尺度结构与动力学的固体NMR研究

高分子材料中的微观结构和动力学特征决定了材料的最终物理化学性能,并具有典型的时间和空间上的多尺度特性。在不同时空尺度上表征凝聚态下高分子中多尺度的结构、动力学及其动态演变等问题,进而阐明其结构-性能间的关系一直是高分子科学研究中的挑战性课题。目前,固体NMR技术已成为从原子至100nm的空间和10-9～10s的时间尺度上研究固态高聚物体系中多层次结构和复杂运动并阐明其结构与性能关系的有力工具。本文将综述我们近年来系统构建的多尺度固体NMR实验技术,及其在阐明高分子链结构、链间相容性和相互作用、界面相结构及相区尺寸、以及从高频到超慢链运动等问题中的应用。     

固体核磁共振技术在高分子表征研究中的应用

基于核自旋探针的核磁共振(NMR)波谱技术可以在非常宽广的时间和空间尺度上提供重要的微观结构和动力学信息.固体NMR已成为阐明高分子中化学键变化、链间相互作用、多尺度结构与动力学演化,及其与宏观物理化学性质关系的有力工具.本文从基础原理、实验方法与技巧、典型应用与研究进展等几方面进行简要综述.在基础原理部分介绍了化学位...     

表面分子手性识别与组装结构的STM研究

表面手性现象是物理化学科学研究的重要内容之一,研究表面手性现象,将有助于对分子吸附,分子间相互作用,多相手性催化,手性分离与拆分等科学和实际应用问题的深入理解.在表面手性现象和手性结构的研究中,扫描隧道显微技术（STM）发挥着重要作用,成为研究表面手性现象的重要手段.该综述文章以本课题组近年已发表的研究工作为主,重点介绍利用STM研究固体表面分子吸附组装体系中关于手性问题的部分结果,包括固有手性分子在固体表面的吸附,非手性分子组装形成手性结构,以及表面手性结构的转化和调控.还结合实验结果分析探讨了表面手性的结构形成、放大和传递等,展望了该研究领域的发展趋势.     

聚合物与表面活性剂相互作用的分子模拟研究进展

聚合物与表面活性剂复配体系已广泛应用于医药、生物、石油石化等领域。从微观上认识其相互作用机理对指导其生产实际有着重要作用,因而此方面的研究倍受关注。随着分子模拟技术的发展,聚合物与表面活性剂在分子水平上的相互作用机理研究已经被广泛开展,并获得了大量有用的信息。本文综述了耗散粒子动力学(DPD)和粗粒度分子动力学(CG-MD)在聚合物与表面活性剂相互作用方面的应用,分别对中性聚合物与离子型表面活性剂,以及带相反电荷的聚电解质和表面活性剂在溶液相和界面相的相互作用进行了阐述,并揭示了聚合物/表面活性剂聚集体结构形态的变化规律。     

基于分子间侧向氢键作用的电光材料制备及性能

通过重氮耦合和酯化等反应制备了一系列侧向含有酰胺基团的偶氮苯类非线性光学生色团, 并将其与聚合物进行掺杂或通过分子间的侧向氢键作用制备了主客体型及超分子型的电光薄膜材料. 生色团的结构通过核磁共振谱(¹H NMR, NMR)、 红外光谱(IR)、 质谱(MS)和元素分析(EA)等进行了表征, 结果表明, 生色团形成了分子间的氢键作用. 通过紫外-可见(UV-Vis) 光谱研究了材料的极化性能. 相比主客体型电光薄膜材料, 由分子间侧向氢键作用形成的超分子型电光薄膜材料无需与聚合物基体材料复合, 更有利于提高材料的生色团含量、 极化取向度及稳定性. 通过Teng-Man简单反射法研究了主客体型和超分子型电光材料的二阶非线性光学性质, 结果表明, 基于分子间侧向氢键作用形成的超分子体系具有更大的电光系数.     

纳米结构分子印迹聚合物及其在药物分析中的应用进展

纳米材料是纳米技术发展的重要基础,它具有许多传统材料所不具备的独特的理化性质,因此有着广泛的应用前景.分子印迹技术是一种通过模拟抗体-抗原相互作用原理,制备具有分子识别功能的聚合物的技术.以纳米材料制备的分子印迹聚合物具有较高的结合容量,较大的选择性和较快的结合动力学特性,近年来备受关注.本文简单概述了零维、一维、二维纳米结构分子印迹聚合物的合成、表征方法及研究现状,并对其在手性药物分析、临床药物分析、传感器及药物残留检测中的应用进行了综述.     

粒子-聚合物相互作用与粒子-粒子相互作用对聚合物基纳米复合物力学性能的影响

聚合物基纳米复合物(PNCs)具有比传统高分子材料更加优异的光学、力学、热力学等性能,广泛应用于各个工程领域.而纳米粒子(NPs)对材料性能提高的机理则是当前聚合物纳米复合物领域研究的重要问题,聚合物纳米复合体系相互作用的影响因素众多,至今尚未明确并完整建立复合体系相互作用与性能增强之间的关系.本文总结了近年来关于纳米粒子填充聚合物基体力学性能的研究,从粒子-聚合物相互作用和粒子-粒子相互作用角度阐述了聚合物纳米复合体系力学性能的增强机理,并根据体系中不同的结构关系分别总结了聚合物/未改性纳米粒子复合体系和聚合物/聚合物接枝纳米粒子复合体系中影响力学性能的因素.该部分内容具有重要的理论和实践意义,有助于构建复合体系微观结构与宏观性能之间的关系,进而对微观层面调控PNCs的力学性能提供指导.     

溶液中尼龙11的NMR弛豫研究

用 2DNMR(HMQC)技术归属了溶液中尼龙 11分子的主要1H和13 C NMR共振信号 ,并通过变温和变浓度 1H NMR弛豫时间的测定 ,得到了尼龙 11溶液中氢键结构变化的动力学信息 .结果表明 ,溶液中尼龙 11分子的弛豫行为与一般高聚物不同 ,随着温度升高 ,尼龙链间相互作用逐渐减弱 ,尼龙分子与溶剂小分子间相互作用逐渐增强 ,尼龙链间氢键逐渐离解 ,而离解出来的自由NH和CO基团又与溶剂小分子间生成氢键 .尼龙 11链卷曲堆积成无规线团状 ,一部分溶剂被包裹在内部并和α CO质子成为一个整体而一起运动 .变浓度实验弛豫过程呈现双指数特性 ,快弛豫部分随体系浓度增加而增多 ,表明聚合物溶液中凝聚缠结含量的增大 ,这种凝聚缠结是由溶液中氢键引起分子链物理交联成网而形成的 .随着浓度增加 ,溶液逐渐变成局部粘度较大的类似软固体     

脉冲梯度场核磁共振技术在多糖类凝胶中的应用

深入理解凝胶中分子的自扩散行为有助于聚合物凝胶的基础研究、食品质地的改善、凝胶类药物递迭系统及分离膜等材料的开发。通过脉冲梯度场核磁共振技术(PFG NMR)测量自扩散系数(D)是阐明凝胶体系中分子动力学的有效手段。探针聚合物在随机介质如溶胶或凝胶中的自扩散取决于基质的结构和迁移率、探针分子的流体力学性质及探针分子与基质之间的相互作用。探针分子与凝胶之间不存在直接分子间相互作用时,其在凝胶中的自扩散主要受流体力学相互作用的影响,因此通过引入并研究探针分子在凝胶中的自扩散行为,可以间接获取凝胶网络结构的信息。本文第一部分简述了自扩散现象及自扩散系数测量技术;第二部分着重介绍了脉冲梯度场核磁共振技术测量自扩散系数的原理;第三部分结合具体的实验方法及实例重点介绍PFG NMR如何被应用于研究多糖类凝胶形成过程中多糖分子构象及动力学的变化;然后介绍如何通过探针分子在凝胶中的自扩散行为评价凝胶的网孔尺寸的变化;最后,通过对探针分子自扩散系数时间依存性的考察,评价其在凝胶相分离研究中的应用价值。     

固体表面分子的自组装结构与调控机制

固体表面有机分子自组装是合成低维超分子材料和对固体表面进行功能化的重要途径.本文主要介绍了利用理论计算与扫描隧道显微镜实验相结合的手段研究固体表面分子自组装机制及结构与物性调控的相关工作.主要聚焦于几种由弱相互作用主导的分子自组装过程,从影响固体表面功能分子自组装过程的基本要素出发,如固体表面性质、功能分子的结构、功能分子间相互作用的类型和强度以及有卤族元素增原子参与的组装等,介绍了这些要素在构筑并调控分子自组装结构中的作用,理解固体表面功能分子自组装结构的调控机制,最后对如何实现分子自组装结构及物性的可控调制进行了展望,为设计新型低维超分子网格结构提供思路.     

全高分子太阳能电池活性层相分离结构调控

全共轭聚合物太阳能电池具有给受体能级可调、吸收范围宽及可溶液加工等优势,已经成为太阳能电池领域发展趋势.在开发高性能材料及器件结构优化的推动下,能量转换效率已经突破9%.然而,共轭聚合物分子刚性及分子结构各向异性等特点,导致全共轭聚合物共混体系相分离及结晶行为复杂,相区尺寸及界面处分子取向可控性差,难于深入理解并认识活性层结构对器件光物理过程的影响.本文从热力学及动力学角度入手,详述了全共轭聚合物共混体系相分离结构、相区尺寸及界面分子取向的可控调节.共混体系中分子迁移能力及溶液相分离类型是影响相分离结构的本质因素,并通过改变给受体比例及分子规整度等实现了孤岛、双连续及互穿网络结构的构筑.同时,通过添加第3组分调节溶剂-溶质分子间相互作用或聚合物分子间相互作用,在不降低活性层结晶性的基础上实现了相区尺寸的调控.最后,利用附生受限结晶原理及溶液状态,通过改变分子运动能力及在溶液中聚集程度,实现了由edge-on到face-on取向的转变.     

类水滑石材料主客体插层结构的构筑及特性的理论研究

因主体层板和层间客体具有丰富的可调性,类水滑石材料(LDHs)在催化、吸附、生物医药及光、电、磁等方面展现出了广阔的应用前景.近年来理论研究已成为揭示LDHs微观结构和性质的重要手段,本文系统综述了LDHs材料主体结构、客体结构以及主客体相互作用3个方面的理论研究工作进展,及其在作为光驱动催化剂方面应用的理论研究.从主体元素构成、元素比例、电荷分布、拓扑结构转变、能带结构、态密度、层间阴离子组成、离子交换性能、主客体作用力、能量性质及光催化性能等方面,在原子、电子尺度上揭示了LDHs材料结构-性能之间的构效关系,为以其为材料平台构筑一系列基于超分子插层结构主客体间相互作用的新型功能材料、扩展材料的功能性提供了丰富的理论信息和有益指导.     

超分子体系中自组装基元的相互作用与理论设计

超分子体系中最典型的应用之一即是合理选择自组装构筑基元并精确调控其相互作用的协同效果,进一步制备具有光、电、自修复等特征的功能材料.为了实现精确调控自组装基元之间相互作用的目标,需要在微观层次认识不同类型非共价键相互作用的本质,正确描述它们协同的效果,进一步协调考虑体系熵与焓的贡献,合理设计自组装构筑基元.本文主要介绍了在超分子弱相互作用的精确描述、计算机模拟中静电长程相互作用的正确处理、接枝聚合物纳米粒子结构的微观特征以及聚合物/纳米粒子复合物聚集结构的影响因素等方面的研究进展.     

分子动力学模拟研究[Bmim][PF_6]+水+醇三元体系的微观结构和分子间相互作用(英文)

研究离子液体体系的微观结构和分子间相互作用具有重要意义.本文对1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐([Bmim][PF6])+水+乙醇和[Bmim][PF6]+水+异丙醇三元体系进行了分子模拟研究,计算了径向分布函数和不同组成的水-醇混合溶剂与离子液体阴阳离子间的相互作用能,并将其分解为库仑相互作用能和Lennard-Jones(LJ)势能.在此基础上,研究了溶液体系的微观结构、分子间相互作用和相行为.结果表明,水倾向于与离子液体阴离子和阳离子极性部分作用,醇倾向于与阴离子和阳离子非极性部分作用;库仑力主导阴离子-溶剂相互作用,色散力主导阳离子-溶剂相互作用,阴阳离子的缔合状态对色散力影响较小,对库仑力的影响非常显著.     

高分子界面聚合动力学模拟研究进展

界面聚合是制备功能聚合物材料的重要手段,其产物的结构和性能与界面厚度及其化学特性、聚合速率、扩散速率等多种热力学和动力学因素有关.实验受限于表征手段,对理解界面聚合的动力学机理仍有很大难度.计算机模拟可以站在微观视角研究这一过程,是明确界面聚合产物结构与性质影响因素的有力工具.本文以我们课题组近年来的工作为主线,对当前在界面聚合模拟研究领域所取得的系统和创新性成果进行总结和评述.从界面聚合模拟方法的发展、固-液相界面聚合体系以及液-液相界面聚合体系3个方面进行介绍,为相关功能聚合物材料的理性设计和精准调控提供新的思路.     

卤代二苯乙烯体系中卤-卤相互作用的调控及其对分子聚集态和发光特性的影响

卤素-卤素(X···X)相互作用是一类强的分子间相互作用,这种非共价键分子间的相互作用对有机π分子的聚集态结构和光电特性具有重要的影响.本文通过在反式二苯乙烯类化合物骨架上引入给电子基团甲硫基和调节卤素取代基的位置,实现了分子间卤素-卤素相互作用的可控构筑,并进一步研究了卤素-卤素相互作用对卤代反式二苯乙烯类分子聚集态和发光特性的影响.该实验结果为调控有机π分子聚集态结构,获得高性能有机光电材料提供了新思路.