高分子体系多级动态过程的单分子研究

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溶液中高分子的动态性质是其在平衡状态所表现出的涨落信息,不同尺度上动态性质的测量能够反映出其各种微观的结构,进而对于理解与这些结构相关的物理性质有着重要的意义。从这一视角研究聚电解质这一在生命体中异常重要,但是理论描述却非常困难的大分子在溶液中的动态性质,能够为其理论模型的建立打下重要的基础,也能够帮助解释许多传统理论不能解释的物理现象和生命过程。然而其中最为核心的问题之一,抗衡离子的性质的研究虽然在近50年取得了长足的进步,但是由于实验手段的缺乏,依然难以被清晰的描述,同时还存在大量的争议。这也阻碍了聚电解质溶液更深入的理论研究。在这一领域发展新的研究方法具有重要的意义。在本论文中,我们将荧光共振能量转移与荧光关联光谱相结合,对于聚电解质周围抗衡离子的多级动态性质进行了直观的研究,获取了其他方法难以得到的信息。同样地,将荧光关联光谱的研究应用于中性聚合物PNIPAM,可以在极稀的溶液中获取扩散的动态信息,进而获得其他方法难以得到的构象转变信息。我们的研究主要包括以下几个方面:  (1)在实验上观察到了单分子尺度的聚电解质链周围抗衡离子的多级动态过程。我们发现抗衡离子在溶液中除了随着主链在溶液中扩散外还有相对于主链的一种更快的运动模式。这一独立于主链平动扩散的运动模式的时间尺度是10-5-10-6s,距离在2-10 nm数量级,比其在溶液中的自由扩散要慢。可以把这个过程看成是从主链周围紧密层到松散层的吸附和脱附过程。  (2)通过对关联函数的拟合,从实验上得到了2-10 nm数量级上抗衡离子进出紧密吸附层速率的具体值。实验中研究了聚电解质溶液中外加盐离子浓度的变化、以及分子量的变化对吸附和脱附速率的影响。发现抗衡离子的这一动态过程的快慢虽然与主链构象、主链带电量、盐离子浓度等因素相互耦合,但实际上其变化的趋势可以由主链的电势的变化趋势得到。电势的增加能够使得抗衡离子更难以从紧密吸附状态中逃脱,这一结果与模拟得到结果相吻合。  (3)实验中研究了受到光敏感性基团调控的PNIPAM链段在在线团到塌缩球转变前后单链在溶液中的动态性质,发现末端基团的亲疏水性对单链的构象转变的影响有一定的影响范围。不同于本体中相转变的调控因素是亲水基团的含量,在极稀溶液中的转变的调控因素是分子量的大小。
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