聚电解质链在中等受限凝胶网络中的“受挫”动力学

摘要

带电大分子在拥堵受限水环境中的运动对于许多生命过程以及生物大分子的运输与功能至关重要.以往人们认为处于受限环境下的高分子链都能进行自由扩散运动，且遵从爱因斯坦扩散方程.即使在最强烈的受限环境下，高分子链仍能进行一维无规扩散运动，其动力学符合管道模型.我们通过实验结合理论，设计凝胶网络尺寸与高分子链尺寸的比例来调控分子链受限环境的强弱，首次发现了大分子在中等受限环境下违背了爱因斯坦扩散方程，高分子整链是不能自由扩散运动的，但是一条链内的局部链段可以在每个凝胶网格内做多级局部松弛运动.其本质是高分子整链的质心运动需要其同时克服多个熵垒，从而实现一条高分子链在所有熵阱内的链段可以同时朝着一个方向做协同运动，而这在实验的观测时间尺度内几乎是不可能实现的，因此高分子链就被“困住”，形成一种能长期存在的非扩散型的亚稳态，我们将这一新型动力学定义为非扩散型拓扑动力学.本文首先对“受限环境”——带电水凝胶的物理性质进行介绍，第二部分介绍了带电大分子在浓溶液中的耦合动力学，最后介绍带电大分子在受限环境下的非扩散型拓扑动力学，包括由熵驱动的和由焓驱动的非扩散型动力学.