结合静态光散射表征和耗散粒子动力学模拟解析多级纳米线结构

2022-05-25杨文漪吴芳升王立权林嘉平

功能高分子学报 2022年2期

杨文漪，吴芳升，王立权，林嘉平

（华东理工大学材料科学与工程学院，上海市先进聚合物重点实验室，上海 200237）

高分子自组装可以得到形貌丰富、结构精巧复杂的功能化组装体。随着自组装研究的深入和纳米技术的发展，研究者开始追求制备更复杂有序的精细化功能结构。受到烟草花叶病毒、莫尼氏链球菌等自然界中生命体多层次自组装的启发，研究工作开始由高分子直接自组装向多级自组装方向展开。在制备多级自组装体的策略中，逐步自组装是一种用来构建多级结构的有效方法。该方法通常分为两步：第一步，聚合物在选择性溶液中自组装形成预组装体；第二步，通过改变溶剂、温度等条件，预组装体作为组装单元进一步聚集得到多级自组装体[1]。由于在逐步自组装过程中预组装体进一步组装形成更高尺度的多级结构，因此该过程被认为是发生在超分子水平的聚合过程。超分子聚合将反应尺度从小分子聚合的分子尺度拓展到超分子范围，为制备精确可控的有序多级纳米材料提供了有效途径，在药物传递等生物医学领域有着广泛的潜在应用价值[2-7]。

预组装体在溶液中通过超分子“聚合”自组装形成多级纳米结构，该工作引起了人们的广泛关注[8-11]。为了更好地揭示超分子聚合原理并进一步探索更高尺度的聚合反应，很多研究者在这方面做出了努力。Manners课题组[11-16]通过在正己烷溶液中加入聚异戊二烯-b-聚二茂铁二甲基硅烷嵌段聚合物，制备了短棒状胶束，再加入聚二茂铁二甲基硅烷均聚物，使胶束首尾相连二次组装形成线状网络结构。Guerin等[17]分别在乙酸叔丁酯和癸烷溶剂中制备了一系列具有相同长度的聚二茂铁二甲基硅烷-b-聚异戊二烯嵌段共聚物胶束，所形成的胶束都是细长且呈刚性的，在癸烷和乙酸叔丁酯溶剂中胶束的线性聚集数和横截面积相同。

由刚柔接枝共聚物自组装形成的各向异性胶束是一类代表性的超分子单体。最近Gao等[18]研究表明，由聚（γ-苄基-L-谷氨酸酯）-g-聚乙二醇（PBLG-g-PEG）接枝聚合物在溶液中首先自组装形成纺锤状胶束，之后在温度诱导下发生超分子“聚合”，再次组装形成纳米线。然而，这些工作通常用扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）和原子力显微镜（AFM）等工具进行表征，不能很好地描述组装体在溶液中的状态，具有一定的局限性。类比于高分子链构象的描述方法，可以将纳米线在溶液中的空间形态作为它的构象，对纳米线构象的研究具有重要意义。

本课题组在前期工作的基础上[18]，结合静态光散射（SLS）表征和耗散粒子动力学（DPD）模拟，研究了由PBLG-g-PEG胶束低温诱导形成的纳米线，解析了纳米线在溶液中的真实状态，分析了混合溶剂比例和生长时间等对纳米线结构的影响。结果表明结合SLS表征和DPD模拟是研究复杂组装体结构的一种有效手段。该工作较为真实地反映了纳米线在溶液中的状态，对发生在超分子水平的自组装结构有了进一步了解。

1 实验部分

1.1 原料和试剂

四氢呋喃（THF）、N,N’-二甲基甲酰胺（DMF）：分析纯，上海泰坦科技股份化学有限公司；γ-苄基-L-谷氨酸酯五元环酸酐（BLG-NCA）：实验室自制[19-21]；PBLG：聚合度为 137；聚乙二醇甲基醚（mPEG-OH）：Mn=750，聚合度为113，Mw/Mn=1.34，分析纯，Sigma公司；超纯水：18.2 MΩ·cm，Millipore超纯水系统制备；透析袋（截留分子量为3 500）：Serva Electrophoresis GmbH公司。

1.2 测试与表征

扫描电子显微镜（日本日立公司S-4 800 型）：加速电压为10 kV，将样品溶液滴于硅片上，自然风干，测试前喷铂处理；透射电子显微镜（日本电子公司JEM-1 400型）：加速电压为100 kV，将样品溶液滴于铜网上，自然风干；激光光散射仪（德国ALV公司CGS-5022F型）：氦氖激光光源，波长为632.8 nm，用针筒量取3 mL样品溶液于玻璃样品瓶中，测试前注射针管和样品瓶均进行除尘处理，折光指数增量为0.131 mL/g[22]。

1.3 实验步骤

1.3.1 PBLG-g-PEG接枝共聚物的合成[23]首先，通过BLG-NCA开环聚合合成PBLG均聚物。随后，将PBLG均聚物与mPEG-OH进行酯交换，合成PBLG-g-PEG接枝共聚物。最后将反应产物倒入大量无水乙醇中沉淀并过滤，再将过滤后的接枝共聚物溶于氯仿中，加入大量甲醇沉淀，进行至少2次纯化，并真空干燥后备用。

1.3.2 初级胶束的制备首先通过选择性溶剂沉淀法制备初级纺锤状胶束（图1）。在室温下，将PBLG-g-PEG接枝共聚物充分溶解在THF-DMF（体积比为1/1）混合溶剂中，制成质量浓度为0.4 g/L的初始聚合物溶液。然后，在30 ℃下，取约5 mL溶液于20 mL锥形瓶中，以大约1 mL/min的速率加入0.8 mL去离子水，滴加过程中持续搅拌（搅拌速率为300 r/min）。当溶液由无色透明状变为淡蓝色时，表明形成了初级胶束，即聚集体。将初级胶束溶液在30 ℃下稳定至少8 h后，在透析袋中以纯水透析3 d，最终得到自组装聚集体的纯

图1 初级胶束和纳米线的制备示意图Fig.1 Schematic for preparing spindles and nanowires

水溶液。在后续测试前，样品稳定不少于3 d。

1.3.3 纳米线的制备将上一步得到的初级胶束溶液静置过夜，于4 ℃下低温培养，受到低温环境诱导，初级胶束开始首尾相连形成纳米线（图1），并且纳米线随着时间不断生长。为更好观察纳米线的形态，每隔7 d吸取0.5 mL样品溶液，注入到大量水中(约5 mL)冻结纳米线形态。为除去有机溶剂，溶液用水透析至少3 d。

1.3.4 模拟方法与模型 DPD法是一种在介观尺度上的粗粒化模拟方法[24-27]。在DPD中，1个DPD珠子代表着原子或者分子的集合，其运动满足牛顿运动方程。DPD珠子i所受的力（fi）由保守力（）、耗散力）以及随机力）3部分组成：

珠子所受以上3种作用力的大小和方向由珠子的位置和速度决定。珠子间是否存在作用力由截断半径（rc）来判断。当rij＜rc时，保守力采用一种软排斥力，

其中，aij是珠子i和j之间的最大排斥作用；

耗散力和随机力分别为：

其中：γ=4.5，代表摩擦系数； vij=vi-vj；θij是均值为 0 且方差为1的随机变量；kB和T分别是Boltzmann常数和绝对温度。

本文构建了如图2所示的纳米线模型。组装成纳米线的单体为纺锤状胶束，由DPD珠子以面心立方紧密堆积而成，其中珠子密度为3，长径比ε=L/D可变。为了同实验结果具有可比性，长径比默认为5。纺锤状胶束的两端因暴露的疏水链段而成为“反应位点”。相应地，模拟中将纳米线单体的两端DPD珠子设置成疏溶剂性A珠子（绿色珠子），而其余部分设置为亲溶剂性B珠子（红色珠子），溶剂S用单个珠子表示。

图2 纳米线的DPD模型Fig.2 DPD model of a nanowire

模拟在80rc×80rc×80rc的周期性空间中进行。体系中DPD珠子密度设为3，因此模拟中共涉及1 536 000个DPD珠子。不同类型珠子间的相互作用参数设置如下：同种类型的DPD珠子间的相互作用参数设为25。A珠子为疏溶剂型，与溶剂间的相互作用参数设为80。B珠子为亲溶剂型，与溶剂间的相互作用参数设为26。A珠子与B珠子间相互排斥，其相互作用参数设为50。模拟以0.02 τ的时间步长进行迭代，2.0×103τ后进行数据分析。

本文重点表征了不同聚合度和单体长径比的纳米线的形状因子P（q）。在SLS表征中，归一化绝对散射光强（R）依赖于粒子的形状因子，关系式如下：

其中：K为光学常数，表示单个粒子的散射能力；ρ为质量浓度；M为粒子的相对分子质量，A2为第二维利系数。在理论模拟中，形状因子的计算方法为：

其中：N是总珠子数；q为散射矢量。根据以上公式可以在模拟结果与实验测试之间建立联系，从理论模拟的角度出发对实验现象进行深入的解释与讨论。

2 结果与讨论

2.1 纳米线的“构象”分析

本工作中，纳米线的形成主要分为2个步骤。第一步，PBLG-g-PEG接枝共聚物自组装成纺锤状聚集体。第二步，在低温诱导下聚集体二次组装形成纳米线。本文采用SLS表征的方法对初级胶束和纳米线在溶液中的尺寸和状态进行解析。为了更好地解析光散射信息，本文通过相关对比项对散射强度进行归一化处理。通过SLS表征可以得到散射光强随散射角度变化的函数，由式（5）可知，当溶液质量浓度足够低的时候，即ρ趋近于0时，得到R/Kρ=MP（q），形状因子与散射光强正相关。由于测试所用的溶液质量浓度大约为 0.004 g/L，可以认为是一个足够低浓度的稀溶液，因此选用R/Kρ为散射图像的纵坐标。散射矢量q的大小反映了不同长度的信息，可以根据R/Kρ与q的依赖关系来判断聚集体的结构。

在低温培养前，初级胶束水溶液的SLS数据图如图3（a）所示。在不同q范围内，R/Kρ与q具有不同的依赖关系，即R/Kρ /q−α中的指数α发生变化。当q＞0.017 nm−1时，R/Kρ /q−1.3，此时反映的是胶束内部高分子链的信息，由于 PBLG 的刚性，指数−1.3 大于无规线团对应的−1.7。当 0.012 nm−1＜q＜0.017 nm−1时，R/Kρ /q−1，反映胶束的形态和尺寸信息，指数−1表明胶束类似于刚棒。当q＜0.012 nm−1时，R/Kρ/q0，此时波长远大于胶束尺寸，R/Kρ与波矢量无关。根据q=0.017 nm−1出现的小拐点和λ=2π/q，计算得出溶液中存在的初级胶束平均尺度约为400 nm，与SEM（图3(a)中插图）表征结果一致。

图3 （a）初级胶束和（b）纳米线的R/Kρ与q的关系（样品质量浓度为0.004 g/mL，插图为相应的SEM图，标尺为1 μm）Fig.3 Plots of R/Kρ against q for （a） spindles and （b）nanowires (mass concentration of sample is 0.004 g/mL, SEM images are presented in the inset, where the scale bars is 1 μm)

在低温下培养初级胶束可形成纳米线，图3（b）所示为培养15 d后得到的溶液SLS数据图。由图可见，R/Kρ与q的依赖关系为多个区域的分段现象。当q＞0.01 nm−1时，R/Kρ与q的依赖关系与初级胶束的情况类似，反映的可能是与纳米线的“单体”有关的信息。当q＜0.01 nm−1时，R/Kρ /q−0.7∼0.8，可反映纳米线的“单体”连接信息。另外，在两个相邻区域之间有过渡平台，即R/Kρ/q0。

通过DPD模拟可以对初级胶束的形状因子进行拟合预测，得到P（q）对q的函数关系图，从而可以将理论模拟与实验观测进行比对。首先，本文考虑DPD模拟中模型构建的问题：参考SEM观察到的形貌，并借鉴之前的工作[28]，选取纺锤状模型来描述初级胶束。使用理想椭球状粒子的形状因子公式[29,30]，拟合SLS实验数据的结果如图4 所示。通过拟合，得到了纺锤状胶束的平均尺寸：短半轴为82 nm，长半轴为410 nm，长径比为5。此外，运用DPD模拟，进一步佐证了实验中的结论并给出了更详细的信息。在DPD模拟中，本文构建了长径比为5的纺锤状胶束作为纳米线组成“单元”，其短半轴为1.5 σ。模拟中基于该纳米线组成“单元”模型，计算得到的形状因子P（q）如图4所示。由图可见，q模拟结果与可测范围内的实验结果基本一致。

图4 纺锤状胶束的R/Kρ、由DPD模拟得到的P（q）以及理论椭球形状模型的P（q）分别与q的依赖关系Fig.4 Plots of R/Kρ as a function of the scatter vector q for the solution of spindle-like micelles; P（q） as a function of the scatter vector q for the solution of ellipsoids from DPD and theory method (The lines are fitting lines)

在浓度极稀的情况下（ρ＜0.1 g/L），R/Kρ=MP(q)。由此，可以将不同聚合度（N）的纳米线的形状因子函数P（q）与SLS实验数据进行比对，结果如图5（a）所示。采用双对数坐标观测变化趋势，如图5（b）所示。在大q范围内，利用 λ =2π/q进行换算，实验数据可以很好地和N=3的纳米线模拟数据匹配。在小q范围内，实验数据可以很好地和N=5的纳米线模拟数据匹配。在仪器测得的范围内，随着观察范围的不断扩大，可以观察到由3个胶束相连的纳米线到由5个胶束相连的纳米线结构。此处既包含了同一条纳米线不同尺度结构的信息，也包含了不同长度分布的纳米线信息。在不同尺度范围内，R/Kρ与q的标度关系基本一致，表明纳米线内部结构具有自相似性。由于纳米线由每个胶束相连得到，因而由光散射所得到的函数关系并不是一条连续的只有一个斜率的直线，也由此可以解释平台现象的产生。此外，标度关系中的指数大于−0.7，意味着纺锤形胶束在纳米线中并不是自由连接的，纳米线趋向于形成刚性长链。这可能与PBLG链的有序排列有关，与图3（b）中的SEM结果保持一致。指数−0.7和−0.8超出极限范围(−1)，表明纳米线并不是由胶束头尾相接直接形成的，可能是2个胶束相连时出现了一定的分子重排，使得纳米线长度略大于2个胶束的长度之和。

图5 由DPD模拟得到的不同聚合度纳米线的（a）P（q）与q的关系和（b）双对数坐标系下R/Kρ与q的关系（其中蓝点为实验数据）Fig.5 （a） Plots ofP（q） as a function of scatter vectorqand （b） log-log plots forR/Kρ as a function of scatter vectorqfor the nanowires with various polymerization degrees (where the blue dots are experimental data)

2.2 初始溶剂和生长时间对纳米线的影响

为进一步探索超分子多级自组装过程，本文研究了溶剂条件对胶束和纳米线生长的影响。配制3种不同体积比的THF-DMF混合溶液作为溶解PBLG-g-PEG的初始溶剂，在获得稳定的纳米线水溶液后进行SLS测试。不同初始溶剂条件下，纳米线生长15 d后的SLS数据如图6（a）所示。可以看出，在不同溶剂体积比下，R/Kρ /q−α中的指数α在大q范围内有明显不同。DMF含量越高，形成的初级胶束单元在大q范围内的α越小。通过DPD模拟，得到不同初级胶束长径比纳米线的形状因子（图6（b）），其中纳米线的聚合度参数设定为5。胶束的长径比越大，α越小。结合DPD模拟和实验数据可知，在大q范围内，α的不同主要是由于纺锤状胶束单元的长径比不同引起的。在较高DMF含量下，由于初始组装单元的局部溶胀程度较高，PBLG链更多的暴露在外部溶剂中，链段的运动能力较强，从而形成长径比更大的细长纺锤状胶束。因此，DMF含量越高，形成的纺锤状胶束长径比越大，图中小尺度范围下的α越小。而在小q范围内，随着DMF含量增加，斜率增加，结合模拟数据体现为聚合度增加，更容易聚集形成纳米线，因此可得到长径比更高的纺锤状胶束以及聚合度更大的纳米线。另外，在图6（b）中，当0.018 nm−1＜q＜0.024 nm−1时，长径比为5的形状因子函数斜率为1.27，与V(THF)/V(DMF)=4/6的SLS实验数据在相同q范围下的斜率一致，侧面证明数据合理性。

图6 （a）不同THF-DMF溶剂条件下形成纳米线的SLS图像；（b）DPD模拟得到的不同长径比胶束的P（q）与q关系图Fig.6 （a）SLS profiles of nanowires prepared from various THF-DMF solvents; （b）P（q） as a function of q for spindles with vaiours ε from DPD simulation

此外，本文探究了纳米线随生长时间的变化情况。通过SLS表征得到了生长天数为7 、10 、13 d和15 d的光强随散射角度的变化曲线，结果如图7所示。在不同天数下，纳米线的R/Kρ与q的关系呈现出相似性。在小q范围内，指数α会随着天数增加而逐渐增加，表现出纳米线的不断生长、聚合度不断增加的过程。在大q范围下，指数α随天数增加没有明显变化，说明形成纳米线之后胶束的长径比没有发生太大改变，形状基本保持不变。从图7可以发现，随着PBLG数均分子量的增大，大q范围下指数α明显减小；在小q范围下，指数α明显增大，说明PBLG的数均分子量对初级胶束的形态和纳米线的构象均有影响。PBLG数均分子量越大，初级胶束长径比越大，R/Kρ与q关系符合图6(b)中所示的大长径比胶束对应的形状因子曲线，标度关系明显。PBLG数均分子量越小，初级胶束单元的长径比越小，R/Kρ与q关系符合图6(b)中所示的小长径比胶束对应的形状因子曲线。