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 【科研摘要】

納米顆粒的溶液可用作設(shè)計(jì)聚合物基凝膠膠的通用平臺(tái)。但是，針對(duì)特定凝膠類型的系統(tǒng)優(yōu)化需要了解如何通過不同的實(shí)驗(yàn)可調(diào)參數(shù)來確定凝膠與凝膠的界面粘附力。最近，哈佛大學(xué)Nicola Molinari和帝國(guó)理工學(xué)院Angioletti-Uberti教授團(tuán)隊(duì)使用分子動(dòng)力學(xué)模擬來研究納米顆粒大小和凝膠-納米顆粒相互作用對(duì)代表水凝膠的粗粒模型（或換句話說，在溶脹狀態(tài)下具有可變剛度的交聯(lián)聚合物網(wǎng)絡(luò)）的影響。

作者表明，不管剛度如何，競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng)都會(huì)導(dǎo)致界面增強(qiáng)的最佳納米顆粒尺寸始終在聚合物篩孔尺寸附近。作者還表明，偏離此最佳尺寸后，膠水性能會(huì)迅速下降到納米顆粒甚至?xí)魅踅缑嬲澈狭Φ某潭龋@暗示了獲得功能性膠水所能接受的粒徑中多分散性的限制。總體而言，這些模擬為合理設(shè)計(jì)具有最佳膠粘性能的納米顆粒溶液提供了進(jìn)一步的步驟。相關(guān)論文以題為Designing Nanoparticles as Glues for Hydrogels: Insights from a Microscopic Model發(fā)表在《Macromolecules》上。

【主圖見析】

圖1.聚合物珠為藍(lán)色，而納米顆粒為紅色。面板（a）顯示了所使用的基本多維數(shù)據(jù)集單位以及每個(gè)維度中的重復(fù)次數(shù)。在圖（b）和（c）中，分別顯示了平衡前后的示例結(jié)構(gòu)。圖（d）和（e）畫出了兩個(gè)角對(duì)系統(tǒng)勢(shì)能的貢獻(xiàn)。注意，對(duì)于kθ的任何選擇，k?＝kθ/ 2。最后，小圖（f）顯示了溶脹度與角剛度和聚合物-聚合物相互作用參數(shù)?BB的關(guān)系。紫色點(diǎn)對(duì)應(yīng)于本文研究的網(wǎng)絡(luò)配置。

圖2.常數(shù)?BN = 1.6?，網(wǎng)絡(luò)kθ= 350和?BB = 0.5時(shí)，不同RNP值的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)示例。此處的粘附能定義為每條應(yīng)力-應(yīng)變曲線的兩個(gè)零之間的積分。雖然不可見，但總體不確定性表示為平均曲線周圍的陰影區(qū)域。

圖3.相對(duì)于無納米粒子的情況，粘附能的百分比變化摘要。

圖4.聚合物珠（藍(lán)色）和納米顆粒（紅色）的空間分布。所有圖均參考kθ= 350和?BB = 0.5的網(wǎng)絡(luò)。從（a）到（d），R 從R ＝ 0.2增加到R ＝ 1.4。

圖5.（a）不同聚合物珠-納米粒子相互作用和（b）不同R?值的均方位移。所有結(jié)果均針對(duì)kθ= 350和?BB = 0.5的網(wǎng)絡(luò)。

圖6.kθ= 350和?BB = 0.5的網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)散系數(shù)分析。

圖7.顆粒-網(wǎng)絡(luò)相互作用能差（界面-本體）與顆粒半徑（左）和聚合物珠-納米顆粒親和力（右）的關(guān)系。對(duì)于所有參數(shù)集，界面處的粒子能量始終低于整體中的能量，從而提供了一個(gè)動(dòng)態(tài)陷阱，可以將它們限制在很長(zhǎng)的時(shí)間范圍內(nèi)。