芘-聚乙二醇大分子在石墨烯上吸附自组装分子动力学模拟

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石墨烯具有优良的电子导电性、热稳定性、化学稳定性和机械灵敏性,可用来制备具有优异性能的新型混合材料。然而,这些潜在应用很大程度上依赖于石墨烯的大规模制备与合成高质量的、稳定的单分散体系。只有改性石墨烯表面是其被亲水性聚合物功能化,才能提高其在不同溶剂中的分散性和可加工性。  在制备石墨烯纳米材料过程中,使用共价和非共价的结合聚合物方法不仅能解决纳米材料中的亲水/疏水的不兼容问题,而且也能作为前驱体或分子模板将金属氧化物或者硅嫁接到石墨烯上,制备可控的纳米材料。同时两性聚合物也可协助石墨烯纳米颗粒剥落在水中制成分散的石墨烯水溶液,形成的两性聚合物涂层能够防止石墨烯薄片之间结块。因此,在纳米技术中两性聚合物在纳米材料上的自组装有着重要的应用。然而,在上述纳米技术中最关键的步骤是将两性聚合物吸附在石墨表面上。迄今为止,两性聚合物吸附在石墨烯上的确切结构或形态尚未有定论,因为目前实验很难探测吸附在固体表面的微观结构。因此了解这个自组装过程,以及吸附形态的影响因素将有利于指导石墨烯的分散和新型石墨烯纳米材料的设计。分子动力学模拟(MD)是一种有用的工具,能够结合溶剂分子在石墨烯表面的微观结构信息分析溶剂与石墨之间的相互作用,那么它就从分子水平的研究手段来洞察两性聚合物在纳米粒子上的吸附过程和形态。  于本文的研究内容是基于分子动力学模拟对芘-聚乙二醇在石墨烯表面的吸附行为机理进行研究。具体内容如下:在水相中,采用分子动力学模拟对两亲聚合物芘-聚乙二醇在石墨烯表面的吸附动态过程。考察了不同链长和不同尺寸的石墨烯板上的自组装形态,并研究了在吸附过程中链的运动形态和构型变化,以及在吸附在石墨烯表面后具有高的运动性。同时,我们也考察了在真空中的链的形态,来反应溶剂对吸附过程的影响。在比较中,我们发现在真空中,PEG链具有更强的分子内向内弯曲的趋势,相对地,在水溶液中,向内弯曲有明显的减小。不同链长的Py-PEG在自组装过程中,都能吸附到表面运动到表面后,Py-PEG不固定在一个点,而在表面运动。Py-PEG45中芘环部分,碳原子附近水层分布弱,在氧原子附近水层较近,且相对强。另一方面,我们也分析了芘-聚乙二醇在主体相中的分布形态,来更进一步的了解聚合物链的分布形态。芘环和石墨烯表面具有强烈的π-π相互作用。利用分子动力学,来分析在吸附石墨烯和从石墨烯剥离时,外功的变化及分子的形态的变化。总之,我们希望通过对两性聚合物与石墨烯自组装所形成的吸附行为的研究,提供一种分子层面的图片来提高对这种纳米结构的认识,并对理解石墨烯材料的制备和分散有所帮助。
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