帶電高分子以及嵌段共聚物自組裝行為的模擬.pdf

1、許多軟物質(zhì)由于表面電荷的電離而具有水溶性的，這一重要的性質(zhì)使它們能與帶相反電荷的物質(zhì)在溶液中產(chǎn)生自組裝。在膠體科學(xué)中，聚電解質(zhì)可以與表面帶相反電荷的膠束復(fù)合，人們利用這一性質(zhì)將聚電解質(zhì)作為一種高分子粘合劑聚集溶液中分散的顆粒。在生命科學(xué)中，DNA和RNA本身就是兩種表面帶有負(fù)電荷的聚電解質(zhì)，它們可以與表面帶正電荷的蛋白質(zhì)復(fù)合，形成生物體中重要的結(jié)構(gòu)單元。這在基因轉(zhuǎn)移(Gene Delivery)方面有著巨大的應(yīng)用價(jià)值，因?yàn)樵谏矬w中，基

2、因和蛋白質(zhì)之間的復(fù)合效率非常高，例如，病毒，染色體等等，而基因轉(zhuǎn)移的核心問(wèn)題就是如何高效地將基因片段引入病人的細(xì)胞核中。靜電作用的存在，可以使球面上一定數(shù)目帶相同電荷的點(diǎn)以特殊的方式排列。這個(gè)看似簡(jiǎn)單的“Thomson問(wèn)題”已經(jīng)研究了近百年。以上提到的都是當(dāng)前研究中非常熱門的問(wèn)題，可以看出，靜電作用引起的自組裝有極大的研究空間。本文主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下： 第一章是緒論。我們總結(jié)了目前研究靜電引起的自組裝和嵌段共聚物自組裝的理論

3、方法。 在第二章和第三章，我們利用Langevin動(dòng)力學(xué)，對(duì)兩類體系進(jìn)行了模擬：聚電解質(zhì)與一定數(shù)目帶相反電荷的球以及聚電解質(zhì)與有限長(zhǎng)帶相反電荷的柱。我們發(fā)現(xiàn)，聚電解質(zhì)鏈與一定數(shù)目帶相反電荷的球在鹽溶液中可以形成串珠狀和聚集態(tài)的復(fù)合體系。體系中相鄰單元之間的距離大致相同，并且隨溶液中鹽離子濃度的增加而增加。在對(duì)鏈兩端施加外力后，隨著外力的增加，球?qū)木垭娊赓|(zhì)鏈上脫落，脫落的過(guò)程可以分為兩個(gè)階段。在不同的鹽離子濃度下，這兩個(gè)階段表現(xiàn)

4、出的行為也是不同的。我們通過(guò)離散的方法構(gòu)造了一個(gè)有限長(zhǎng)的帶靜電柱，并模擬了聚電解質(zhì)與其組裝的動(dòng)力學(xué)行為。我們具體考察了鏈剛性、柱表面電荷大小和分布及柱長(zhǎng)度對(duì)復(fù)合體系形態(tài)的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，聚電解質(zhì)鏈在柱面上的排布除了螺旋形態(tài)還會(huì)出現(xiàn)很多其他的形態(tài)。事實(shí)上，螺旋形態(tài)只在一定條件下才出現(xiàn)：鏈剛性較大，柱面電荷密度較小，柱長(zhǎng)度較小。我們從體系能量的各個(gè)部分對(duì)總能量的貢獻(xiàn)分析了其中的原因。針對(duì)DNA與樹(shù)枝狀聚合物組裝行為的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們考察了帶電

5、柱的長(zhǎng)度與吸附在柱面上的聚電解質(zhì)鏈節(jié)數(shù)的關(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn)它們之間在任何情況下都呈線性關(guān)系，這就說(shuō)明，這兩者之間的線性關(guān)系和聚電解質(zhì)鏈在柱面上的排布方式?jīng)]有直接的關(guān)系。通過(guò)改變柱面的電荷分布發(fā)現(xiàn)，聚電解質(zhì)鏈可以在比較長(zhǎng)的柱面上形成螺旋態(tài)結(jié)構(gòu)。 第四章利用離散變分法，在耦合相分離的兩組分囊泡模型的基礎(chǔ)上，設(shè)其中一個(gè)組分帶電荷，模擬了囊泡與帶相反電荷的剛棒的復(fù)合體系。我們研究了囊泡的彎曲剛性，囊泡帶電組分的總電量及平均濃度，剛棒的電量對(duì)

6、兩者復(fù)合體系的影響。剛棒的存在能夠誘導(dǎo)囊泡的兩組分發(fā)生相分離，帶電組分向囊泡與剛棒的接觸處富集。在囊泡與剛棒的接觸處，囊泡產(chǎn)生形變以增加其與剛棒的接觸面積。根據(jù)剛棒所處的位置，所有的結(jié)果可以歸為三類：自由，部分包吞和完全包吞。增加囊泡的彎曲剛性模量或剛棒的電量可以使囊泡對(duì)剛棒的包吞程度增加；增加囊泡上帶電組分的平均濃度時(shí)，囊泡對(duì)剛棒的包吞程度會(huì)先增加后減小。由于模型中用的假設(shè)太多，這使得模型過(guò)于理想化。但本章的模擬結(jié)果提出了一個(gè)思路：用

7、動(dòng)力學(xué)方法研究囊泡的內(nèi)吞作用。當(dāng)體系拓展到真正的三維囊泡時(shí)，這方面的研究還是非常有價(jià)值的。第三章，我們利用實(shí)空間自洽平均場(chǎng)理論研究了三嵌段線型和星型共聚物在閉合球面上的微相分離行為，并將結(jié)果與嵌段共聚物在二維平面上計(jì)算得到的結(jié)果進(jìn)行了比較。計(jì)算得到的形態(tài)可以分為帶狀相和點(diǎn)狀相。在球面上，點(diǎn)狀相的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較平面上發(fā)生了改變。我們結(jié)合靜電學(xué)中的Thomson問(wèn)題對(duì)其中一類點(diǎn)狀相的排布方式進(jìn)行了詳細(xì)的研究。當(dāng)所有的點(diǎn)狀相區(qū)的大小基本相同時(shí)，它