在过去的几十年里,聚合物纳米复合材料因其在药物输送、海水淡化以及光子和声子材料中的应用而受到广泛的关注。这些应用通常要求纳米粒子在聚合物基质中均匀分散以优化其物理性能。然而,在实际情况中,由于两个组分之间的化学不相容,这种均匀混合很难实现。相反,人们经常会遇到(无机)纳米粒子在(有机)聚合物基体中的聚集,这可能导致复合材料的材料性能和机械稳定性的恶化。研究发现,可以通过将聚合物接枝到纳米粒子的表面来防止其团聚,也就是说,将这两个组分体系有效地转变为一个组分体系。这些混合粒子被称为聚合物接枝NPs(GNPs)或毛状NPs,通常表现出具有硬核和软晕的核壳形态。
有鉴于此,德国美因茨大学Arash Nikoubashman ,Jiarul Midya 报道了通过粗粒分子动力学(MD)模拟研究了GNPs的纯熔体结构。
文章要点
1)研究人员系统地改变了固定NP核半径下的聚合度和接枝密度,并详细研究了NP核周围的聚合物电晕的形状,大小和互穿性。此外,分析了接枝聚合物的构象,并将其与它们的纯本体聚合物类似物进行比较,以研究链接枝的效果和其他GNPs的存在。
2)为了合理化模拟结果,研究人员引入了两层模型,其中聚合物电晕分为干层(即几乎没有来自周围GNP的单体存在的区域)和穿透层(其特征是周围GNPs的接枝链之间有显著的重叠),属于干层的接枝链部分被延长,而互穿层中的部分几乎不受干扰。该模型定量地预测了两层的厚度取决于一个普遍的参数x,即接枝链相对于熔体中链的过度拥挤程度。
3)理论和模拟结果表明,在一定的接枝密度下,扩链自由能随链长的增加是非单调的,且存在一个明确的最大值。这一最大值表明了从干层为主向穿透层为主的过渡,有望对揭示这些GNPs的各种反常输运性质产生深远的影响。
该研究为理解和设计基于无溶剂的GNP材料提供了一种简便的方法。
Jiarul Midya, et al, Structure of Polymer-Grafted Nanoparticle Melts, ACS Nano, 2020
DOI: 10.1021/acsnano.0c06134
https://dx.doi.org/10.1021/acsnano.0c06134