本文關(guān)鍵詞：基于電場的聚電解質(zhì)與納米顆粒組裝動力學(xué)研究　出處：《吉林大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：自下而上微納制造技術(shù)的本質(zhì)是分子組裝,技術(shù)手段多種多樣,如微接觸打印、接枝聚合物、沉積與吸附、逐層自組裝等。其中,沉積與吸附技術(shù)能夠廣泛應(yīng)用于各種材料且操作簡單成本低廉,因而引起了科研人員的廣泛關(guān)注。在眾多可用于自下而上微納制造的材料中,聚電解質(zhì)與納米顆粒作為聚合物科學(xué)和納米科學(xué)的重要組成部分在科學(xué)研究和工程應(yīng)用領(lǐng)域都有著至關(guān)重要的地位,尤其是電子學(xué)、微機(jī)電系統(tǒng)、光學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等。典型的聚電解質(zhì),如蛋白質(zhì)、DNA、RNA、殼聚糖及各種人工合成的大分子已經(jīng)廣泛用于功能性薄膜、納米支架、納米圖案等的設(shè)計(jì)制造。此外,納米材料,如金屬納米顆粒、碳納米管、石墨烯等也與自下而上微納制造技術(shù)相結(jié)合用于超微電極、微流控器件、微電子器件、微反應(yīng)器等的設(shè)計(jì)制造。本文基于分子模擬方法重點(diǎn)研究了幾種聚電解質(zhì)與納米顆粒系統(tǒng)的物理沉積與吸附的動力學(xué)特征和構(gòu)象演變過程;探討了兩親聚電解質(zhì)形成刷狀、納米球狀、納米網(wǎng)絡(luò)以及納米條紋等沉積結(jié)構(gòu)的條件,以及聚電解質(zhì)刷在外電場中的響應(yīng)特性。本文在微納尺度下揭示了聚電解質(zhì)與納米顆粒物理沉積與組裝的物理機(jī)制,并發(fā)現(xiàn)了一些新的現(xiàn)象。計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)能夠在更小尺度上捕捉微納制造過程中的動力學(xué)特征和構(gòu)象的演化,且能夠分析實(shí)驗(yàn)研究和理論研究不容易考察的變量,對微納制造技術(shù)的發(fā)展有著重要意義。因此,研究聚電解質(zhì)與納米顆粒的沉積與組裝的微觀機(jī)理對自下而上微納制造技術(shù)的發(fā)展具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用前景。本文主要研究內(nèi)容如下:(1)從分子尺度闡述了溶劑品質(zhì)、聚電解質(zhì)電荷分布以及外電場強(qiáng)度對柔性的兩親二嵌段聚電解質(zhì)的物理沉積行為的影響。柔性的兩親二嵌段聚電解質(zhì)在親水基板表面形成具有兩親特性的雙層結(jié)構(gòu)。在非選擇性溶劑中,親水嵌段在沉積表面形成薄而均勻的吸附層,疏水嵌段呈刷狀分布在親水層上方。在選擇性溶劑(對親水嵌段具有選擇性)中,親水嵌段形成薄圓盤狀吸附結(jié)構(gòu),疏水嵌段組裝成納米球狀結(jié)構(gòu)分布在親水層上方。聚電解質(zhì)上同種電荷間的靜電斥力使沉積結(jié)構(gòu)變得疏松。外電場對聚電解質(zhì)的沉積結(jié)構(gòu)有一定的壓縮作用。在選擇性溶劑中,強(qiáng)電場使疏水納米球和親水圓盤的尺寸減小。(2)揭示了聚電解質(zhì)電荷分布、聚電解質(zhì)剛度以及外電場強(qiáng)度改變時,半柔性的兩親二嵌段聚電解質(zhì)在選擇性溶劑(對親水嵌段具有選擇性)中進(jìn)行物理沉積的微觀機(jī)理,研究了條紋狀、網(wǎng)狀及局部有序的組裝結(jié)構(gòu)的形成條件。在沉積層中,半柔性的兩親二嵌段聚電解質(zhì)形成由一個疏水中間段和兩個親水末端構(gòu)成的“三段式”膠束。聚電解質(zhì)電荷分布和剛度的變化導(dǎo)致短粗型和流線型兩種膠束的形成。聚電解質(zhì)剛度的增加和親水嵌段上正電荷數(shù)量的增加都會導(dǎo)致膠束疏水段橫向尺寸的減小。親水嵌段形成的薄吸附層局部有序,剛度較小時相鄰兩膠束的親水嵌段彼此垂直,剛度較大時親水嵌段趨于流線型分布。親水嵌段上電荷數(shù)量的增加導(dǎo)致子組裝多層的厚度和疏水膠束的橫向尺寸減小。此外,外電場可能會導(dǎo)致直立膠束的形成。(3)研究了聚兩性電解質(zhì)刷和聚電解質(zhì)刷在外電場中的響應(yīng)行為的微觀機(jī)理。分析了電荷序列、聚電解質(zhì)剛度和外電場的方向和強(qiáng)度對聚合物刷構(gòu)象轉(zhuǎn)變的影響。聚兩性電解質(zhì)刷的響應(yīng)行為和局部結(jié)構(gòu)取決于聚兩性電解質(zhì)的電荷序列。當(dāng)半柔性聚兩性電解質(zhì)上帶正電的嵌段接枝在基板表面時,觸發(fā)聚兩性電解質(zhì)刷塌縮的臨界電場強(qiáng)度隨著嵌段長度的增加而增加,若聚兩性電解質(zhì)接枝在基板表面的末端嵌段帶負(fù)電,則臨界電場方向與上述情況相反。若無外電場作用,聚兩性電解質(zhì)刷呈伸展?fàn)顟B(tài)。盡管外電場誘發(fā)聚兩性電解質(zhì)刷的塌縮,聚兩性電解質(zhì)仍存在局部伸展的情況。(4)從分子尺度分析了表面攜帶相反電荷的Janus納米顆粒在帶電表面上的靜電組裝行為,揭示了Janus納米顆粒形成吸附單層的物理機(jī)制。當(dāng)Janus納米顆粒表面正電荷的比例較小或基板表面正電荷密度較大時,Janus納米顆粒傾向于形成納米顆粒單層和較小的納米顆粒團(tuán)簇。Janus納米顆粒表面凈電荷較小時形成較大的納米顆粒團(tuán)簇和較厚的吸附結(jié)構(gòu),且吸附在初始階段出現(xiàn)遲滯。此外,當(dāng)基板表面電荷密度較大時,基板表面的電荷密度在Janus納米顆粒的吸附過程中充當(dāng)主導(dǎo)因素。反之,當(dāng)基板表面電荷密度較小時,Janus納米顆粒表面的凈電荷充當(dāng)主導(dǎo)因素。(5)采用熱液合成的方法制備銀納米顆粒并將其載入接枝有殼聚糖的活性炭纖維表面,研究載入銀納米顆粒前后活性炭纖維的抗菌特性。建立表面-聚電解質(zhì)-納米顆粒吸附的粗�；肿觿恿W(xué)模型,驗(yàn)證了殼聚糖與銀納米顆粒之間的靜電吸附機(jī)理,并系統(tǒng)研究了聚電解質(zhì)的剛度對其吸附納米顆粒的形式和動力學(xué)特性的影響。仿真結(jié)果表明,聚電解質(zhì)上的正電荷與納米顆粒表面攜帶的負(fù)電荷之間的引力作用能夠使納米顆粒吸附在聚電解質(zhì)表面。當(dāng)聚電解質(zhì)剛度較小時,系統(tǒng)中出現(xiàn)聚電解質(zhì)鏈纏繞納米顆粒團(tuán)簇的行為,這種纏繞使吸附結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定,納米顆粒團(tuán)簇的縱橫比也更小。當(dāng)聚電解質(zhì)剛度較大時,被吸附的納米顆粒呈珠鏈狀結(jié)構(gòu),納米顆粒團(tuán)簇的縱橫比較大。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TB383.1;O631

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本文編號：1334634