聚电解质溶液的表界面热力学性质研究进展常秋慧1,2,卿乐英1,江剑1,2*1.中国科学院化学研究所高分子物理与化学国家重点实验室,北京分子科学国家实验室,北京1001902.中国科学院大学,北京100049*通讯作者,E-mail:jiangj@iccas.ac.cn收稿日期:2022-12-27;接受日期:2023-02-07;网络版发表日期:2023-03-21国家自然科学基金(编号:21973104,22273112)资助项目摘要聚电解质的表界面行为调控(如表面吸附和黏附)在黏合剂设计、胶体稳定/聚沉、海水淡化和生物医药材料研发等多个领域发挥着举足轻重的作用.聚电解质的浓度、刚性、序列结构、盐浓度和表面性质等可设计参数显著影响着聚电解质的表界面微观结构,进而决定聚电解质溶液的表界面热力学性质.为了加速高性能聚电解质材料的发展,利用理论方法(如自洽场理论和密度泛函理论等)和计算机模拟(如蒙特卡罗模拟和分子动力学模拟等)等手段开展高通量、系统性的研究是非常必要的.本文总结了近年来聚电解质溶液的表界面热力学性质的相关理论和模拟研究进展,同时也对该领域未来的发展趋势进行了总结与展望.关键词聚电解质,表界面行为,密度泛函理论,分子动力学模拟1引言聚电解质(polyelectrolyte,PE)是一类骨架带有可电离基团的带电聚合物.纳米驱油剂、生物医药、储能材料和黏合剂等应用中普遍存在着聚电解质在固体材料表面的吸附现象.实验[1~5]、理论[6~10]和模拟[11~14]等方法对聚电解质溶液的表界面吸附行为展开了大量研究.例如,将聚电解质表面活性剂注入油水混合物中,通过聚电解质在岩石表面的吸附作用而提高原油采出量[15~17];通过层层沉积技术,自组装形成聚电解质多层材料,可用于制备性能优良的海水淡化分离膜[18,19]或增强织物的阻燃性[20];聚电解质涂层还具有抑制不良蛋白质吸附和细胞附着等功能,可有效降低有害的临床并发症[21].此外,聚电解质在固液界面或者多界面中的结构、热力学行为还可诱导产生表面间相互作用力,这对胶体稳定、絮凝和生物黏合剂等具有重要的现实意义[22~27].然而聚电解质的表界面行为是非常复杂的过程,对应的热力学性质通常受环境因素(如盐浓度、聚电解质单体浓度、表界面性质等)和聚电解质链结构参数(链长、电荷分数、单体序列和链刚性等)共同影响.因此,聚电解质的表界面行为调控具有参数空间大和可设计性强的特点.本课题组[28~30]以自洽场理论(self-consistentfieldtheory,SCFT)和密度泛函理论(densityfunctionaltheory,DFT)为理论基础,开发了适用于非均匀复杂流体的理论设计工具——A...
