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。這個看似簡單的“Thomson問題”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。本文主要研究內(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動力學(xué)，對兩類體系進(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，脫落的過程可以分為兩個階段。在不同的鹽離子濃度下，這兩個階段表現(xiàn)

4、出的行為也是不同的。我們通過離散的方法構(gòu)造了一個有限長的帶靜電柱，并模擬了聚電解質(zhì)與其組裝的動力學(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度對復(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，柱長度較小。我們從體系能量的各個部分對總能量的貢獻(xiàn)分析了其中的原因。針對DNA與樹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

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剛棒的包吞程度增加；增加囊泡上帶電組分的平均濃度時，囊泡對剛棒的包吞程度會先增加后減小。由于模型中用的假設(shè)太多，這使得模型過于理想化。但本章的模擬結(jié)果提出了一個思路：用

7、動力學(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，這方面的研究還是非常有價值的。第三章，我們利用實(shí)空間自洽平均場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算得到的結(jié)果進(jìn)行了比較。計算得到的形態(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問題對其中一類點(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，它