嵌段共聚物存在下纳米颗粒聚集行为的Monte Carlo研究

摘要

具有特殊尺寸、形貌的无机材料在医药、催化、微电子器件及能源技术等领域有着非常重要的应用价值。因此，合成形态、大小及结构受到人为调控的无机材料成为现代材料科学的一个重要研究方向。大量的实验结果都表明嵌段共聚物对无机晶体的结晶、生长以及由纳米颗粒到各种特殊的超结构的形成过程均有独特的影响，但是目前仿生合成得到的材料主要还是形貌上的创新，晶体生长机理及各种纳米超结构的形成机理迄今尚不清楚，计算机模拟和理论研究鲜有报导。 本论文利用DynamicMonteCarlo方法对疏水性纳米颗粒和嵌段共聚物共存体系进行了比较系统的研究。全文分五章，论文的内容主要分两部分：(1)不同浓度的两亲嵌段共聚物对纳米颗粒聚集行为的影响；(2)以嵌段共聚物的囊泡为模板，构筑纳米颗粒的空心球超结构。 第一章简要介绍小分子表面活性剂和嵌段共聚物对无机粒子形貌调控的实验研究，以及嵌段共聚物水溶液中胶束和囊泡形成机理的实验和相关计算机模拟研究。 第二章介绍了高分子科学中的MonteCarlo方法，详细阐述了有关高分子链构象的各种MonteCarlo抽样方法。 第三章系统研究不同浓度的两亲嵌段共聚物对纳米颗粒聚集行为的影响。纳米颗粒的疏水性体现在纳米颗粒之间的相互吸引，以及纳米颗粒与溶剂的相互排斥作用。所以，纳米颗粒在溶液中倾向于形成一个致密的大团结构。假设两亲嵌段共聚物AmBm的A链段为亲水且与纳米颗粒相互排斥；而B链段为疏水且与纳米颗粒相互吸引。当溶液中存在AmBm时，纳米颗粒的聚集行为发生了明显的改变。随着AmBm浓度的增加，纳米颗粒的大团簇被分散为表面被B链段所包裹的小团簇。小团簇的数目随着AmBm浓度的增加而增加，而小团簇的平均尺寸随着AmBm浓度的增加而逐渐减小。继续增加AmBm的浓度，纳米颗粒和嵌段共聚物形成规则的层状结构。体系形成层状结构的临界浓度Cp，L随着嵌段共聚物链长的增加而减少，而Cp,L与纳米颗粒的浓度近似呈线性递减关系。详细考察了各种接触对的数目、体系的界面能和总能量随共聚物浓度的变化关系。模拟结果表明，嵌段共聚物可以有效调控纳米颗粒的聚集行为，并诱导形成一系列有序的纳米颗粒聚集体。这些聚集体的出现是嵌段共聚物和纳米颗粒之间的相互作用与嵌段共聚物自聚集行为相互竞争的结果。 第四、五章分别考察了两亲两嵌段共聚物A1B3和三嵌段共聚物A1B6A1形成囊泡的动力学过程，发现大囊泡由小囊泡合并而成。B链段组成囊泡的壁，A链段分布在囊泡的内、外表面。这里，我们仅考虑B链段之间的相互吸引作用，其他相互作用参数设为0。纳米颗粒的疏水性仅仅体现在纳米颗粒之间的相互吸引作用。纳米颗粒的致密团簇的形成过程经历了一个近似于“蒸发-凝聚”的过程。当纳米颗粒随机加入到含A1B3囊泡的体系时，由于B链段和纳米颗粒的相互吸引，纳米颗粒逐渐从团簇的表面向囊泡移动，最终分散到囊泡的壁中。可以想象，如果除掉嵌段共聚物，即可得到纳米颗粒的空心球结构。采用同样的模拟方法，我们也可观察到三嵌段共聚物A1B6A1囊泡的形成。该囊泡也同样能诱导纳米颗粒构筑空心球结构。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章引言

1.1有机组分对无机材料性能的影响

1.2利用表面活性剂的有序结构引导纳米颗粒的有序分散

1.3纳米颗粒以表面活性剂为软模板进行有序生长，形成特殊形貌的无机晶体

1.4相关的计算机模拟工作

1.5本文拟开展的工作

参考文献

第二章Monte Carlo方法简介

2.1 Monte Carlo方法的起源和发展

2.2高分子链构象的Monte Carlo抽样方法

2.2.1简单抽样方法

2.2.2重要性抽样方法

参考文献

第三章两嵌段共聚物存在下纳米颗粒聚集行为的Monte Carlo模拟研究

3.1.模型与模拟方法

3.2.结果分析与讨论

3.2.1体系中不存在两嵌段共聚物时，纳米颗粒的聚集情况

3.2.2两嵌段共聚物A2B2的浓度对纳米颗粒聚集行为的影响

3.2.3两嵌段共聚物AmBm的链长对纳米颗粒聚集行为的影响

3.3本章结论

参考文献

第四章Monte Carlo方法研究两嵌段共聚物囊泡存在下纳米颗粒空心球结构的构筑

4.1.模型与模拟方法

4.2.结果分析与讨论

4.2.1两嵌段共聚物囊泡的形成过程的模拟研究

4.2.2体系中不存在嵌段共聚物时纳米颗粒的聚集情况

4.2.3纳米颗粒以囊泡为模板构筑空心球超结构

4.3本章结论

参考文献

第五章三嵌段共聚物与纳米颗粒共存体系的研究

5.1.分子结构A1BmA1对三嵌段共聚物囊泡的影响

5.2纳米颗粒和A1B6A1共聚物共存体系的模拟研究

5.2.1纳米颗粒和A1B6A1共聚物同时加入立方盒子

5.2.2 A1B6A1共聚物形成囊泡之后再把纳米颗粒加入到立方盒子

5.3本章结论

参考文献

第六章全文总结与展望

致谢

攻读学位期间的研究成果