聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAm)是一种知名的温度响应高分子,在低临界溶解温度(LCST),它的水溶液会产生急剧的相变。即在32℃, PNIPAm分子的疏水性以及氢键的剧变会致使其构象由亲水的膨胀态急剧转变为疏水的收缩态。正是因为PNIPAm具有如此的温度响应,它的应用才如此广泛。比如,其均聚物在药物释放、肽段分离以及表面修饰等方面受到重用；其共聚物、凝胶、微凝胶以及表面层在药物输运、纳米技术、微流体等领域得到广泛应用。在本文中,我们用分子场理论研究PNIPAm的温度响应性以及其应用的温度可控性。第一章,我们简要介绍水溶液中PNIPAm的急剧相变,以及离子、醇类、离子液体对其LCST的影响,同时也简单举例介绍一些PNIPAm的应用体系。其中,我们重点介绍一些有关PNIPAm的最新工作,比如由PNIPAm新近组成的共聚物、凝胶、微凝胶以及表面层,以及其中一些值得讨论的问题。第二章,我们对本文采用的分子场理论进行介绍。该理论曾用于研究聚合物分子刷的热力学和结构性质,其中我们考虑了每一个分子的构象、尺寸以及形状。研究结果表明,分子场理论得到的结论与模拟和实验的观测结果相一致。最近,将聚合物分子与水之间的氢键作用融入到该理论后,分子场理论可以更加准确地描述聚合物的温度响应性。第三章,我们采用分子场理论研究温度、聚合度以及面密度对水溶液中PNIPAm分子刷形貌的影响。我们引入了实验拟合所给出的经验参数来描述PNIAPm与水之间的相互作用。研究结果显示,在低温下,聚合物在水中自由伸展,体积分布呈抛物线状；相反地,当温度高于LCST时,PNIAPm塌缩在平板上。同时,聚合物的平均高度也会经历一个急剧变化,其变化温度取决于面密度和聚合物的长度。此外,聚合物在20℃C和40℃C时平均高度比也随面密度呈非线性变化,且出现最大比值的面密度随长度的增加而降低,这与实验结果相一致。最后,我们计算出的化学势表明,温度较高时,PNIPAm会出现微观相分离。第四章,我们采用分子场理论研究稀溶液中PEO(聚环氧乙烷)-b-PNIPArr的自组装行为。尽管目前已有一些平均场理论工作研究水溶液中共聚物的自组装行为,但是他们的大多数研究还是基于某一特定温度,无法考虑温度变化所导致的自组装行为的变化。这里,由于我们考虑了聚合物单体与水分子之间的氢键作用,因此我们的理论可以有效地研究温度对两嵌段亲疏水性变化的影响。随着温度升高,PNIPAm与水之间的氢键严重断裂,导致PNIPAm疏水,而PEO依然亲水。双亲的PEO-b-PNIPAm在水溶液环境中可以自组装成多种结构,比如胶束和囊泡。通过该巨正则体系的巨热力势判据,我们发现胶束和囊泡都是稳定的而且可以共存。理论计算得到的结构的平均力势进一步证明了胶束与囊泡的可共存性,尽管这两种结构产生的LCST不同。我们也得出了由温度和PEO质量分数((fPEO))决定的自组装相图,图中既有胶束和囊泡相,也有二者的共存相。这表明温度可以控制胶束与囊泡之间相互转变。既然作为温度响应材料的PEO-b-PNIPAm具有广泛的应用,那么对其相行为系统性研究就不仅具有科学意义,而且还具有较高的实用价值。第五章,我们提出一个全新的普适方案来控制生物传感器中DNA的取向。如我们所知,DNA生物传感器在识别小分子和探测DNA杂化中有巨大的应用潜能。通常情况下都是采取施加电场的手段来控制DNA分子的取向；然而电场在活体中的不可适性以及对测量带电小分子的影响使DNA传感器的应用受到极大限制。因此,在生物纳米技术领域内克服这些缺点是一个具有挑战性的问题。这里,我们的想法是,将DNA分子与具有响应控制伸缩性的聚合物组成的嵌段共聚物,而后将其嫁接在电中性基板上。为了体现响应性,我们以温度响应聚合物为例,并且采用耗散粒子动力学模拟和分子场理论两种方法去研究其响应行为以及其内在物理机制。由于聚合物的伸缩转变也可以通过其他响应方式实现(比如pH和光响应),因此我们的方案具有普适性,其能够极大地推动DNA传感器的实际应用。最后一章,我们对本文进行总结,并且对未来有关PNIPAm的研究进行展望。