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杨玉良课题组研究方向
 
    高分子科学的新概念、新理论和新的实验方法正在不断形成之中,推动高分子学科的发展。本课题组主要发展 合适的理论方法,在实验基础上,通过基本原理构筑其数学模型,预测具有各种复杂拓扑链结构的嵌段共聚物和共混物本体及其溶液的平衡相形态和生成动力学;发展高分子复杂流体形态演化过程中的动力学理论和研究 方法;完善高分子凝聚态物理理论,建立化学反应耦合相分离对相形态的选择及其动力学的理论模型,以期揭示各种生物复杂形态生成的本质。这些预测结果可在实 验中观察到,并指导有的放矢地进行实验,对实验结果进行细致的理论分析找出其主要影响因素,大大克服了实验的盲目性。主要包括:

 

 
嵌段高分子的微相分离自组装形态

相分离动力学及相形态演化
大分子在闭合模上的自组织
高分子链锚泊的囊泡的形状及其转变
嵌段高分子在溶液中的自组装
脂质囊泡的相分离与形变
带电体的自组装及其动力学
应用基础研究-高速BOPP专用料制备
 
欢迎各位同学加盟课题组,充分发挥和锻炼你的逻辑思维能力、数理基础训练、计算机建模与编程!!
 
 
课题组联系方式: 跃进楼 410
     电话:     65642867,65642863
     Email :  pingtang@fudan.edu.cn
 
 
 
 
 
嵌段高分子的微相分离自组装形态
 

    嵌段高分子是由化学性质不同的嵌段通过共价化学键相连接而组成的长链 分子。由于嵌段共聚高分子中界面能和链构象熵之间的精妙平衡,体系可 发生微相分离( microphase separation )而形成极其丰富的相形态。由 微相分离而生成的周期性的微相结构在热力学上是稳定的,其尺度通常在 5 ~ 100nm ,作是一类纳米复合材料。我们用自洽场理论 (SCFT )模拟了各 种不同链拓朴结构的嵌段高分子的微相分离自组装形态

 
各种拓扑结构的只含 AB 两组份的嵌段高分子
对 AB 两组份 嵌段高分子,体系只会出现四种热力学上稳定的有序微相形态:层状相(L)、 Gyroid 相(G)、柱状相(H)和球状相(C)。 引自 M.W. Matsen, J. Phys. Condens. Matter. , 14 , R21(2002)
AB 两嵌段高分子的理论相图,引自 M.W. Matsen and M. Schick, Phys. Rev. Lett. , 72 , 2660(1994)
 
 
从无序初态出发,通过求自由能最小值,所获得的不同 f 和 c 的线型 ABC 三嵌段高分子的有序相结构
 
PI-PS-P2VP PS-PI-P2VP
 
通过交换线型 ABC 三嵌段高分子的嵌段序列,理论预测会出现完全不同的有序相结构并得到实验的验证
 
从无序初态出发,通过求自由能最小值,所获得的不同 f 和 c 的星型 ABC 三嵌段高分子的有序相结构
 
 
 
 
Recent Publications
1. Tang, P.; Qiu, F.; Zhang, H. D.; Yang, Y. L. Morphology and phase diagram of complex block copolymers: ABC star triblock copolymers J. Phys. Chem. B 2004 , 108 , 8434-8438
2. Tang, P.; Qiu, F.; Zhang, H. D.; Yang, Y. L Morphology and phase diagram of complex block copolymers: ABC linear triblock copolymers Phys. Rev. E 2004 , 69 , 031803
 
 
 
 
 
 
 
相分离动力学及相形态演化
 

    高分子共混物的混合熵很小导致其多为热力学不相容体系而发生相分 离,形成特定的时空图样。多年来我们基于时间分辨的Ginzberg- Landau 方法研究高分子复杂体系相分离动力学及图样选择,分析了 剪切外场下高分子共混物及嵌段高分子的相分离;耦合化学反应的相 分离;在弯曲曲面特别是球面上的相分离。

Theoretical Results
Experiments
Sear viscosity of phase separating PB/PI under steady shear
 
 
 
PS/PVME=20:80, from Ref: Tanaka, H., Phys Rev Lett , 76 , 787 (1996)
模拟的结果
实验的结果
Pubications
1. Yuliang Yang, Graph theory of viscoelastic and configurational properties of gaussian chains , Macromol Theory Simul , 7 , 521(1998)
2. Qiu F, Ding JD, Yang YL, Real-time observation on deformation of bicontinuous phase under simple shear flow , Phys Rev E , 58 , R1230 (1998)
3. Lin ZQ, Zhang HD, Yang YL, Phase diagrams of mixtures of flexible polymers and nematic liquid crystals in a field , Phys Rev E , 58 , 5867 (1998)
4. Qiu F, Zhang HD and Yang YL, Chain stretching effect on domain growth during spinodal decomposition of binary polymer mixtures under simple shear flow , J Chem Phys , 108 (22),9529 (1998)
5. Qiu F, Zhang HD and Yang YL, Oscillatory shear induced anisotropic domain growth and related rheological properties of binary mixtures , J Chem Phys , 109 (4), 1575 (1998)
 
 
大分子在闭合模上的自组织
 

    我们提出了一种全新的离散空间变分法研究细胞膜形变动力学过程, 克服了原先解析或数值求解细胞膜形状方程遇到的困难,对细胞形状 的研究提供了新的理论手段。发现如果两组份细胞膜存在曲率性质上 的差别,在一定的温度条件下发生相分离,将导致细胞膜budding现 象的发生。我们设计了相应的实验,对胆固醇/饱和卵磷脂(DOPC)/不 饱和卵磷脂(DOCC)模型体系,采用电场法制备巨型囊泡,在室温下观 察其形状变化,成功地证实了我们的理论预言。
 
 
 
 
 
 
Recent Publications
1. Tang P, Qiu F, Zhang HD, Yang YL, Phase separation patterns for diblock copolymers on spherical surfaces: A finite volume method , Phys Rev E , 72 (1): Art 016710 (2005)
2. 李剑锋, 张红东, 邱枫, 杨玉良, 模拟囊泡形变动力学的新方法-离散空间变分法 , 物理学报 , 54 (9): 4000 (2005)
 
 
 

 

 

 
 
高分子链锚泊的囊泡的形状及其转变

  生物膜结构不仅是细胞结构的组织形式,也是生命活动的主要结构基础。 生物膜是由脂质分子自组装形成的双层膜。在生物体中,生物膜通常被蛋 白质、胆固醇、糖类等生物大分子所“修饰”。我们用高分子的SCFT理论 研究锚有高分子链的囊泡形态和囊泡膜表面高分子链段的密度分布。

 
表面锚泊高分子链的囊泡
对应的简化模型
模拟结果
实验结果
 
嵌段高分子在溶液中的自组装
 

    两亲性嵌段共聚高分子溶液在适当的组成和温度条件下能形成各种形状的 胶束或囊泡,这些胶束的研究对于微胶囊、药物缓释系统以及封装技术等 有着重要的理论和实际应用价值。 我们用SCFT理论研究了线型和星型ABC在 溶液中的各种自组装聚集态结构。

 
强分凝的两亲性线型 ABC 三嵌段高分子在溶液中的自组装形态
弱分凝的两亲性线型 ABC 三嵌段高分子随嵌段 C 的不同疏水程度在溶液中 的自组装形态
 
 
 
 
 
 
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脂质囊泡的相分离与形变

    许多细胞质膜等双分子层膜中都发现存在着一种富含胆固醇的微畴(microdomain) ,在一定条件下微畴侧向相互融合凸起,发生出芽 胞吞、胞吐甚至囊泡化的现象。在信号传导、蛋白质分类及输运、脂质输运及细胞转移等细胞生物功能中发挥重要作用。 本课题采用多组分磷脂制成的干膜进行原位水合或者采用电形成法,辅助光学显微镜进行观察囊泡的相分离及形变。

 
多组分囊泡相分离示意图 (红蓝粒子代表两种组分)
多组分双分子层囊泡的相分离 (微畴的形成和融合)
球形囊泡在20℃的分相形变过程
球形囊泡在明场下的动态出芽过程(左下方为荧光照片)
 
凸芽与微畴的融合 (左图为采用耗散粒子动力学所作的模拟图形)
由实验得到的动力学曲线与理论计算标度关系 N bud ~ t - 2/3 比较,两者结果完全一致
 
 
单层囊泡凸芽的模拟和实验对照
    螺旋结构在生物中普遍存在,它对于理解生物细胞及器官的形态变化,以及在生物进化过程中起着至关重要的作用。尤其是myelin形成的螺旋结构。
 
双螺旋的形成/解开
 
 

阳离子价态对心磷脂聚集态的影响

( a-Na+ , b-Ca2+ 离子)

 
 
 
 
带电体的自组装及其动力学

 
 
 
 
应用基础研究-高速 BOPP 专用料制备

    理论指导工业生产是该方向的优势和特点。由杨玉良院士和中石化北京化 工研究院乔金樑教授任首席科学家的 973 项目 “ 通用高分子材料高性能化的 基础研究 ” ,通过系统研究聚丙烯复杂流体拉伸流动的流变行为及其链结构 关系,对材料微观结构进行了全面表征和分析,提出了包括聚丙烯在内的 高分子熔体拉伸流动稳定性理论模型和满足高速BOPP所需要的链结构特 征,发展了高速BOPP专用料制备技术的新理论,该研究结果属原创性知识 创新和技术创新成果。该项目研究成果推广实施两年就已生产高速BOPP专 用料约20万吨,产生直接经济效益近亿元,并为BOPP薄膜生产企业带来1亿 六千万元以上间接经济效益。
进口料
技术改进后的国产料
 

进口料的偏光显微镜照片对比。 技术改进后的国产BOPP的凝聚态结构更优于进口BOPP料

 

 

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