【科研摘要】

纳米颗粒的溶液可用作设计聚合物基凝胶胶的通用平台。但是，针对特定凝胶类型的系统优化需要了解如何通过不同的实验可调参数来确定凝胶与凝胶的界面粘附力。最近，哈佛大学Nicola Molinari和帝国理工学院Angioletti-Uberti教授团队使用分子动力学模拟来研究纳米颗粒大小和凝胶-纳米颗粒相互作用对代表水凝胶的粗粒模型（或换句话说，在溶胀状态下具有可变刚度的交联聚合物网络）的影响。

作者表明，不管刚度如何，竞争效应都会导致界面增强的最佳纳米颗粒尺寸始终在聚合物筛孔尺寸附近。作者还表明，偏离此最佳尺寸后，胶水性能会迅速下降到纳米颗粒甚至会削弱界面粘合力的程度，这暗示了获得功能性胶水所能接受的粒径中多分散性的限制。总体而言，这些模拟为合理设计具有最佳胶粘性能的纳米颗粒溶液提供了进一步的步骤。相关论文以题为Designing Nanoparticles as Glues for Hydrogels: Insights from a Microscopic Model发表在《Macromolecules》上。

【主图见析】

图1.聚合物珠为蓝色，而纳米颗粒为红色。面板（a）显示了所使用的基本多维数据集单位以及每个维度中的重复次数。在图（b）和（c）中，分别显示了平衡前后的示例结构。图（d）和（e）画出了两个角对系统势能的贡献。注意，对于kθ的任何选择，kϕ＝kθ/ 2。最后，小图（f）显示了溶胀度与角刚度和聚合物-聚合物相互作用参数ϵBB的关系。紫色点对应于本文研究的网络配置。

图2.常数ϵBN = 1.6ϵ，网络kθ= 350和ϵBB = 0.5时，不同RNP值的应力-应变响应示例。此处的粘附能定义为每条应力-应变曲线的两个零之间的积分。虽然不可见，但总体不确定性表示为平均曲线周围的阴影区域。

图3.相对于无纳米粒子的情况，粘附能的百分比变化摘要。

图4.聚合物珠（蓝色）和纳米颗粒（红色）的空间分布。所有图均参考kθ= 350和ϵBB = 0.5的网络。从（a）到（d），R 从R ＝ 0.2增加到R ＝ 1.4。

图5.（a）不同聚合物珠-纳米粒子相互作用和（b）不同R̃值的均方位移。所有结果均针对kθ= 350和ϵBB = 0.5的网络。

图6.kθ= 350和ϵBB = 0.5的网络的扩散系数分析。

图7.颗粒-网络相互作用能差（界面-本体）与颗粒半径（左）和聚合物珠-纳米颗粒亲和力（右）的关系。对于所有参数集，界面处的粒子能量始终低于整体中的能量，从而提供了一个动态陷阱，可以将它们限制在很长的时间范围内。