金属表面形成聚合物刷的机理研究

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聚合物刷是指通过物理吸附或者化学键的方式附着在特定表面并呈现一定形貌的一层聚合物。聚合物刷的物理化学性质及构象决定了其润湿特性、腐蚀特性、胶体稳定性、表面智能及生物传感特性,聚合物刷也凭借这些特性被广泛应用于日常生活中。二嵌段共聚物刷在纳米表面的图案控制领域也具有广阔的应用前景。与实验和理论相对比,计算机模拟能够对这些系统的物理吸附过程进行可视化研究,从而帮助理解这类吸附过程中所发生现象的本质。因此研究二嵌段共聚物在金属表面的吸附具有重要的科学意义和应用前景。本文基于分子模拟方法重点研究了不同性质的二嵌段共聚物(包括中性的二嵌段共聚物、带电的二嵌段共聚物以及不同刚度和温度情况的二嵌段共聚物)在不同金属晶体表面附着的情况,讨论了球形颗粒表面接枝两性聚电解质形成的聚合物刷的构象性质。此外,深入研究电荷序列和接枝密度对两性聚电解质在球形颗粒表面的构象特性。细致地分析了二嵌段共聚物在金属表面吸附的物理机制,并且发现了一些独特的现象。本文主要研究内容如下:(1)从分子尺度阐述了中性二嵌段共聚物在面心立方体表面的吸附性质。研究了A-block和B-block单体数量大小对于吸附特性的影响。本文模拟了二嵌段共聚物链的单体总量固定的情况下,增加A-block单体在聚合物链中的比例;以及A-block单体数量固定,增加B-block单体数量的情况。研究结果表明当二嵌段共聚物链单体数量固定时,聚合物链的吸附率随A-block单体数量的增加而增加,当A-block单体数量占总量的1/2时,吸附率达到最大值,随着A-block单体数量继续增加,吸附率缓慢减小。然而当A-block的单体数量固定时,聚合物链的吸附率将随着B-block单体数量的增加而减小,当B-block单体的数量增加到A-block单体数量的6倍时,继续增加B-block单体的数量其吸附率将保持不变。(2)揭示了带电二嵌段共聚物链在面心立方体表面的吸附机理。研究了带电的二嵌段共聚物链在B-block单体带电量情况下的吸附特性。结果表明带电二嵌段共聚物在表面形成的刷的结构和反离子浓度的分布依都赖于A-block单体的数量。虽然带电二嵌段共聚物链模型中A-block和B-block所占比例与第二章相同,但是在反离子作用情况下,当链中单体总量一定,吸附率将随着A-block的增加而不断升高。反之,当A-block数量固定时,B-block单体数量的增加对吸附率的影响并不显著。这说明系统中的反离子数量对带电二嵌段共聚物链的吸附特性有一定的影响。(3)揭示了不同刚度条件下的A-block和B-block对于整个二嵌段共聚物链在六方紧密堆积体表面的吸附机理。研究了三种不同的二嵌段共聚物链模型条件下的吸附率,其中A-block单体数量与二嵌段共聚物单体数量的比分别是1/2、2/3和1/3。同时也研究了当两种嵌段分别为柔性条件下,另外一种嵌段为柔性链、半柔性、刚性和棒状条件下,吸附率的变化情况。结果表明当A-block占总量的1/2时,二嵌段共聚物的吸附率随A-block刚度的增加先升高后降低。反之随着B-block刚度的增加,吸附率先升高后降低再缓慢升高。当A-block占总量的2/3的时候,A-block刚度增加的过程中吸附率迅速降低,而后随着A-block刚度继续增加而保持不变,B-block刚度增加的过程中吸附率未发生明显变化。当A-block占总量的1/3的时候,A-block的刚度增加,吸附率随之降低,而B-block刚度增加的时候吸附率则是缓慢降低而后又缓慢升高。(4)对比不同势能情况下的吸附机理变化情况,通过势能与温度之间的关系,总结出温度对于二嵌段共聚物链在HCP晶体表面吸附的促进作用。(5)研究了半柔性、柔性和刚性的两性聚电解质球形刷的构象变化及其结构特征。对于其中接枝的两性聚电解质链,分别讨论了其在柔性、半柔性和刚性条件下的平均末端距、净电荷密度还有径向分布函数在多种接枝密度和电荷序列情况下的变化。模拟得到的最终稳定状态下的构象截图,对构象性质的分析发挥了重要的作用。证明了当电荷序列α=1时,接枝密度的变化对末端距不会产生影响。但是当电荷序列α降低的时候,其末端距将会随着接枝密度的增加而相应的降低。同时当α=1/20并且接枝密度为ρg=0.0442-2的时候,末端距降低到最小值,即使接枝密度继续升高末端距也不会再继续降低。而对于gNmPm(r1)和gNmPc(r1)两种径向分布函数在不同接枝密度情况下,可以明显观察出在接枝密度对于径向分布函数的影响并不明显,影响这两种径向分布函数的主要因素是电荷分布序列的变化。同时电荷分布序列也是影响带负电荷单体和带正电荷反离子径向空间分布的主要因素。证明了接枝密度和电荷序列分别对净电荷密度曲线的振荡幅度以及振荡周期产生较大的影响。当两性聚电解质链为柔性的时候,几乎所有接枝在球形颗粒表面的两性聚电解质链都塌缩在球形颗粒表面。而刚性的两性聚电解质链系统中,在较低接枝密度条件下两性聚电解质链的构象几乎不发生变化,随着接枝密度的增加末端单体之间的距离减小,在α=1/20时静电吸引发挥作用使得在球形颗粒表面发生折叠的两性聚电解质链的数量的增加。
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