温度敏感型水凝胶PNIPAM的计算机模拟

论文摘要

环境敏感型水凝胶因其自身能够感知外界环境（如温度、pH、光、电、压力等）微小的变化或刺激,并产生相应的物理结构和化学性质变化甚至突变,广泛挖掘其在传感器、控释开关等领域的应用,成为当今最感兴趣研究课题之一。但在环境敏感水凝胶的开发利用中常遇到传感器传达信息的准确性,控释开关的可靠性,药物缓释的突释现象等诸多问题,大大限制了环境敏感水凝胶的应用,亟需找出环境敏感型水凝胶响应的控制性因素,以便更好的加以控制利用。分子模拟技术由于其自身理论体系的不断完善、模拟结果又能得到一些常规实验难以得出的独特信息,受到越来越多研究者的青睐,在反应机理研究、材料性能预测等方面有着很好的应用。本论文采用计算机模拟技术,建立和优化了环境敏感型水凝胶聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）分子模型,利用量子化学和分子动力学法等研究了其分子内和分子间相互作用力、在体积相转变前后的分子构型差异,讨论了发生环境敏感性的机理。主要的研究内容和结果如下：以温度敏感型水凝胶聚（N-异丙基丙烯酰胺）为例,利用高斯软件对PNIPAM单体进行密度泛函理论计算分析,结果显示PNIPAM单体分子内同时含有的羰基和胺基具备形成氢键的电子给予体和受体的特性,且羰基氧原子附近有大量的负电荷密集,而胺基上的氢原子又有很强的电正特性,有利于氢键的形成；对PNIPAM二聚体,及NIPAM-co-AA单体进行量化分析发现温敏型水凝胶分子内、分子间存在大量的氢键,这些氢键在凝胶的温敏相变过程中起着重要作用。水凝胶单体微溶液的研究表明水凝胶在水环境中可以和水分子形成大量的氢键,结合大量的水分子,这些水能形成一个较为密闭的壳层,保持凝胶内水分子不流失。P（NIPAM-co-AA）水凝胶比PNIPAM水凝胶分子内更容易形成氢键且结合的水分子更多,和水分子相互作用能更大,AA的加入可影响水凝胶的温度敏感性,甚至使温敏性消失。成功模拟出了PNIPAM分子链在不同温度时的构象状态。PNIPAM分子链在低临界相变温度以上严重卷曲,宏观表现为凝胶体积的收缩,与实验现象相符；PNIPAM分子链中有大量的非键作用力,随温度升高非键作用力增强,在低临界相变温度之上非键作用更加明显。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 分子模拟简介
• 1.2 环境敏感型水凝胶简介
• 1.2.1 温度敏感型水凝胶
• 1.2.2 pH敏感型水凝胶
• 1.2.3 其他类水凝胶
• 1.2.4 多重响应型水凝胶
• 1.3 分子模拟在环境敏感水凝胶中的应用
• 1.4 临界相转变机理探讨
• 1.4.1 几种基本作用力
• 1.4.2 溶胀动力学理论模型
• 1.4.3 温敏性机理
• 1.5 课题的提出
• 第二章 理论基础
• 2.1 量子力学法
• 2.1.1 从头计算法
• 2.1.2 半经验分子轨道理论
• 2.1.3 密度泛函理论
• 2.2 分子力学法
• 2.2.1 分子力学简介
• 2.2.2 力场
• 2.2.3 分子力学与量子化学计算的区别
• 2.3 蒙特卡罗法
• 2.4 分子动力学法
• 2.4.1 分子动力学的基本原理
• 2.4.2 MD模拟的积分算法
• 2.4.3 MD模拟的系综
• 2.4.4 边界条件
• 2.4.5 MD中的相互作用势模型
• 2.5 四种方法比较
• 第三章 NIPAM体系的量子化学研究
• 3.1 软件介绍
• 3.2 NIPAM单体的计算
• 3.2.1 分子模型的构建与优化
• 3.2.2 电荷布居分析
• 3.2.3 振动光谱分析
• 3.3 NIPAM二聚体的研究
• 3.4 NIPAM和丙烯酸共聚单体的研究
• 3.4.1 丙烯酸单体的研究
• 3.4.2 NIPAM-co-AA结构分析
• 3.5 分子间的相互作用分析
• 3.6 水凝胶单体分子微溶液研究
• 3.6.1 环境中水分子间的相互作用
• 3.6.2 NIPAM微溶液研究
• 3.6.3 NIPAM-co-AA微溶液研究
• 3.7 小结
• 第四章 PNIPAM的分子动力学模拟
• 4.1 软件介绍
• 4.2 模拟过程
• 4.2.1 建立初始结构
• 4.2.2 模拟参数设置
• 4.3 模拟结果分析
• 4.5 小结
• 结论与展望
• 结论
• 展望
• 参考文献
• 致谢