溫度敏感型水凝膠PNIPAM的計(jì)算機(jī)模擬.pdf

1、環(huán)境敏感型水凝膠因其自身能夠感知外界環(huán)境（如溫度、pH、光、電、壓力等）微小的變化或刺激，并產(chǎn)生相應(yīng)的物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)變化甚至突變，廣泛挖掘其在傳感器、控釋開關(guān)等領(lǐng)域的應(yīng)用，成為當(dāng)今最感興趣研究課題之一。但在環(huán)境敏感水凝膠的開發(fā)利用中常遇到傳感器傳達(dá)信息的準(zhǔn)確性，控釋開關(guān)的可靠性，藥物緩釋的突釋現(xiàn)象等諸多問題，大大限制了環(huán)境敏感水凝膠的應(yīng)用，亟需找出環(huán)境敏感型水凝膠響應(yīng)的控制性因素，以便更好的加以控制利用。分子模擬技術(shù)由于其自身理論體

2、系的不斷完善、模擬結(jié)果又能得到一些常規(guī)實(shí)驗(yàn)難以得出的獨(dú)特信息，受到越來(lái)越多研究者的青睞，在反應(yīng)機(jī)理研究、材料性能預(yù)測(cè)等方面有著很好的應(yīng)用。
　　 本論文采用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，建立和優(yōu)化了環(huán)境敏感型水凝膠聚（N-異丙基丙烯酰胺）(PNIPAM)分子模型，利用量子化學(xué)和分子動(dòng)力學(xué)法等研究了其分子內(nèi)和分子間相互作用力、在體積相轉(zhuǎn)變前后的分子構(gòu)型差異，討論了發(fā)生環(huán)境敏感性的機(jī)理。主要的研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下：
　　 以溫度敏感型水凝膠

3、聚（N-異丙基丙烯酰胺）為例，利用高斯軟件對(duì)PNIPAM單體進(jìn)行密度泛函理論計(jì)算分析，結(jié)果顯示PNIPAM單體分子內(nèi)同時(shí)含有的羰基和胺基具備形成氫鍵的電子給予體和受體的特性，且羰基氧原子附近有大量的負(fù)電荷密集，而胺基上的氫原子又有很強(qiáng)的電正特性，有利于氫鍵的形成；對(duì)PNIPAM二聚體，及NIPAM-co-AA單體進(jìn)行量化分析發(fā)現(xiàn)溫敏型水凝膠分子內(nèi)、分子間存在大量的氫鍵，這些氫鍵在凝膠的溫敏相變過程中起著重要作用。水凝膠單體微溶液的研究表

4、明水凝膠在水環(huán)境中可以和水分子形成大量的氫鍵，結(jié)合大量的水分子，這些水能形成一個(gè)較為密閉的殼層，保持凝膠內(nèi)水分子不流失。P(NIPAM-co-AA)水凝膠比PNIPAM水凝膠分子內(nèi)更容易形成氫鍵且結(jié)合的水分子更多，和水分子相互作用能更大，AA的加入可影響水凝膠的溫度敏感性，甚至使溫敏性消失。成功模擬出了PNIPAM分子鏈在不同溫度時(shí)的構(gòu)象狀態(tài)。PNIPAM分子鏈在低臨界相變溫度以上嚴(yán)重卷曲，宏觀表現(xiàn)為凝膠體積的收縮，與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象相符；PN