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 【科研摘要】

納米顆粒的溶液可用作設計聚合物基凝膠膠的通用平臺。但是，針對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驗可調(diào)參數(shù)來確定凝膠與凝膠的界面粘附力。最近，哈佛大學Nicola Molinari和帝國理工學院Angioletti-Uberti教授團隊使用分子動力學模擬來研究納米顆粒大小和凝膠-納米顆粒相互作用對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）的影響。

作者表明，不管剛度如何，競爭效應都會導致界面增強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，膠水性能會迅速下降到納米顆粒甚至會削弱界面粘合力的程度，這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，這些模擬為合理設計具有最佳膠粘性能的納米顆粒溶液提供了進一步的步驟。相關論文以題為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)集單位以及每個維度中的重復次數(shù)。在圖（b）和（c）中，分別顯示了平衡前后的示例結構。圖（d）和（e）畫出了兩個角對系統(tǒng)勢能的貢獻。注意，對于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的關系。紫色點對應于本文研究的網(wǎng)絡配置。

圖2.常數(shù)?BN = 1.6?，網(wǎng)絡kθ= 350和?BB = 0.5時，不同RNP值的應力-應變響應示例。此處的粘附能定義為每條應力-應變曲線的兩個零之間的積分。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。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。所有結果均針對kθ= 350和?BB = 0.5的網(wǎng)絡。

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

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