複雜大分子可控組裝的理論和模擬

《複雜大分子可控組裝的理論和模擬》是依託南京大學，由馬余強擔任項目負責人的重大研究計畫。

基本介紹

• 中文名：複雜大分子可控組裝的理論和模擬
• 項目類別：重大研究計畫
• 項目負責人：馬余強
• 依託單位：南京大學

項目摘要

項目緊緊圍繞重大研究計畫可控自組裝體系及其功能化的重要科學問題，以典型的複雜大分子體系為研究對象，發展面向於可控大分子自組裝的粗粒化模擬方法、以場及粒子為基礎的超越平均場理論、以及結合全原子的分子場理論方法。在非平衡統計物理和流體力學框架下，與大尺度模擬相結合發展流體力學和動力學平均場方法研究大分子動態自組裝。通過這些方法的發展，構建基於軟物質物理概念的自組裝結構與過程的理論模型，揭示可控自組裝的內在機制。通過與實驗相結合，希望建立有普適意義的理論和計算模擬方法，推廣用於研究各種複雜構築單元組成的大分子軟物質體系可控自組裝和動態自組裝的規律，並進一步探索其功能。這不僅為大分子自組裝、生物大分子動態自組裝、自組裝的可控與功能預測方面提供了堅實的理論基礎和實際指導，也為進一步構建新的自組裝體系提供有意義的指導。

結題摘要

本項目發展了研究功能性複雜大分子自組裝體系的超越平均場方法及動態自組裝的巨觀動力學理論，探索麵向大分子可控自組裝的多尺度模擬和組合模擬方法。從活力物質等角度加深了對非平衡組裝動力學的理解。拓展了分子場理論用於研究回響性自組裝體系，研究大分子間氫鍵等弱鍵與電相互作用的協同規律，認識弱鍵參與組裝的本質和規律。通過理論、模擬與實驗相結合，研究調控手段對自組裝行為的影響，揭示調控規律。首先，套用非平衡統計力學Fokker-Planck方程研究以自驅動粒子為組裝基元的動態自組裝，探討了活力向列相的相變行為和動力學失穩機制。實現微觀模型粗粒化，預言有序態在各向同性和向列相轉變點附近的失穩。發現描述活力物質向列相態確定性方程存在一個混沌相。同時由於長波失穩，大尺度空間不均勻性形成並發生永不停息演化。從對動力學平均場方程的直接數值計算可以發現，向列相有序區從周圍無序介質吸收粒子，生長，分裂，進而消散。基於分子場理論，研究了DNA界面行為。發現不同鹽濃度和面密度下，雜化集體行為呈現相互制約與相互促進型兩種方式。DNA雜化相互促進的區域存在一級相變。合成光熱回響性膠體，構建二維模型體系，Monte Carlo和Brownian dynamics模擬結合，研究二元膠體相分離產生的組裝結構。發現在能量耗散速率和能量輸入速率競爭調控下，體系呈現巨觀相分離、rafts-like島狀結構、環形、同心圓結構、微觀相分離和類高溫均勻相。另外，發展了耗散粒子動力學、全原子、粗粒化模擬在細胞內吞體系的套用，探索了重要複雜大分子體系與生物膜的自組裝機制。系統研究了納米粒子表面配體對其與生物分子自組裝模式的影響，發現了包括受挫包裹、蛋白吸附介導包裹等新穎的作用模式，內吞受表面配體剛性、密度、分布、親疏水、電性等多因素控制；設計與實現了有醫學實用價值的pH回響性、動力學鍵藥物輸運系統。詳細理解了聚醯胺-胺枝狀分子在細胞膜上的吸附、打孔與內吞體逃逸機制，pH值、枝狀分子代數、多肽端基修飾等因素將影響作用途徑。報導了粒子旋轉、膜組分不對稱分布等因素對粒子內吞的影響以及納米碳管的水輸運特性。最後，結合理論模擬和實驗探索了新穎的自組裝體系，包括聚苯乙烯膠體顆粒在電場、溫度場下的堆積與結晶，納米微管受限重組絲蛋白纖維，囊泡在襯底表面的組裝與交換，pNIPAM微球的溫度、鹽雙回響控釋。