柔性物质关键基础研究

图2、介观软物质研究阴~阳鱼:介观结构与宏观行为的关联,可用拓扑结构、相关尺度、有序度/对称性以及相互作用强度描述。(NB Lin and XY Liu*, Chem Soc Rev 44, (2015, DOI: 10.1039/C5CS00074B))。

柔性物质的基础研究重点,为介观结构与宏观性能的关系,可用拓扑结构、相关尺度、有序度/对称性以及相互作用强度描述(见图2)。为此,我们将着重以下研究:

2.1.1. 柔性物质形成机制、物性与相互作用

为了实现柔性物质的功能化,可对柔性物质的介观结构进行调控,或在介观尺度对其进行加工。这里需着重了解其介观结构与宏观特性,并研究大分子、超分子以及生物分子形成特定介观结构的机制与对其特定功能的影响。为了研究其对形成机制,还需了解(生物)大分子间的相互作用、及其与界面相互作用。

1. 柔性物质介观/界面的理论研究

运用理论模拟计算手段,分别针对低维材料、大分子界面、生物信息网络为对象,研究对象之间、对象与外部系统间的物质、能量、信息相互影响与传输特性。利用分子动力学模拟,研究具有一定拓扑形状(如环形、星形)分子刷体系在外场下的动力学行为。运用应用物理学,信息学和生物学等学科的概念和方法,特别是借助非线性动力学、非平衡统计理论、生物信息学和系统生物学的新成果,研究生物介观体系中物质与信息输运性质。

2. 柔性物质界面/介观结构-性质关系研究

在对柔性物质系统中各对象相互作用的认识基础上,开展关注与天然及生物功能材料、柔性功能材料及相关方面的前沿性基础研究,认识各类柔性功能材料的结构、物性与设计性制备手段。主要的课题包括:针对蚕丝研究对象,结合原子力显微镜(AFM),X-射线小/广角散射(SAXS/WAXS),电子显微镜(TEM/SEM),拉曼光谱(Raman)和红外光谱(FTIR)等手段,对蚕丝内部网格结构、β折叠构型、晶粒三维大小、晶粒取向度进行综合定量分析。获得蚕丝的结构层次,网格大体类型,网格大小,蚕丝的功能化策略提供支持。通过各种表征手段,研究针对石墨烯、聚合物、蛋白质、蚕丝、胶体颗粒等柔性物质介观系统,在不同维度,介观结构与物质组分的指纹特性的对应关系,研究柑对应的宏观响应。

2.1.2. 柔性物质的功能化

柔性物质将通过两种途径实现功能化:结构调节功能化,与介观功能化组装。

(1) 结构调节功能化:在不改变物质基本构成的情况下,通过改变其介观结构,来调控其性能。包括控制其形成机制或采用模板法来改变分子在介观尺度的排列。如蚕丝仿生结构色:可通过模板法在蚕丝薄膜内产生周期性反蛋白石结构,由此产生仿生结构色(图3)。

图3. 通过模板法生产蚕丝光子晶体,在蚕丝布上产生结构色

(2)介观功能化组装:通过材料功能化组装,将功能化分子、量等