电荷和亲电聚合物对中性层状相结构有序性和稳定性的影响：基于小角中子散射对TX（100/TX）35体系的研究所得的见解

《RSC Advances》：Effect of charge and telechelic polymer on the structural ordering and stability of neutral lamellar phases: insights from small-angle neutron scattering on TX 100/TX 35 systems

中性表面活性剂TX100/TX35水体系lamellar相的结构稳定性受体积分数、电荷引入和拓扑聚合物PEO-2m影响。SANS分析表明，低体积分数下（5%-10%）体系因热涨落呈无序状态，未出现Bragg峰；随着体积分数增至20%-30%或引入1% CpCl电荷，热涨落减弱，Bragg峰强度和尖锐度显著提升，形成更有序的lamellar相。PEO-2m通过空间位阻和跨层桥接作用，在10%体积分数时促进有序相形成，20%时进一步强化层间有序性。Nallet模型参数显示，体积分数增大和电荷/聚合物引入均降低热涨落参数A_z和ξ_p，同时增强层间有序性参数A_B和ξ_l。研究结果为无机电解质体系通过熵抑制和拓扑聚合物调控lamellar相稳定性提供了新机制。

　　在本研究中，科学家们通过小角中子散射（SANS）实验，探讨了一种中性层状相的结构和稳定性。该层状相由三辛烷基聚乙二醇（TX100）作为主要表面活性剂，三辛烷基聚乙二醇（TX35）作为共表面活性剂，以及水组成。为了确保实验系统处于层状相区域，所有样品的TX35/TX100质量比被固定为Ω = 1.26。通过Nallet模型对所有散射强度I(q)进行拟合，这一模型能够提供关于系统中膜结构空间排列的重要信息。研究首先关注了体积分数?对层状相结构和稳定性的影响，随后在不同体积分数的样品中加入固定浓度的阳离子表面活性剂十二烷基三甲基氯化铵（CpCl）以评估引入电荷对层状结构的影响。最后，将一种带有疏水性十二烷基基团的聚乙二醇（PEO-2m）以固定浓度Ψ = 10%添加到不同体积分数的样品中，以探讨聚合物对中性层状相结构的影响。

研究结果表明，无论体积分数如何变化，或是引入电荷或添加PEO-2m，系统中均未改变相态，所有样品仍保持在层状相中。然而，内部结构却发生了显著变化。在较低体积分数（? = 5%和? = 10%）下，膜结构呈现出无序状态，缺乏明确的层状排列；而在较高体积分数（? = 20%和? = 30%）下，膜结构变得有序，呈现出典型的层状结构。引入电荷或PEO-2m显著增强了结构的有序性：在存在电荷的情况下，即使在低体积分数（? = 5%和? = 10%）下也能获得明确的层状相；而在添加PEO-2m的情况下，当体积分数达到? = 10%时，层状结构得以稳定。

层状相在中性系统中通常由Helfrich的热波动引起的熵斥力稳定。这些热波动在膜层之间产生空间约束，从而形成熵性排斥力。这种波动诱导的排斥力高度依赖于膜的弯曲刚度，即弯曲模量κ，它控制了热波动的幅度，进而影响膜层间的有效相互作用。对于中性层状系统，稳定性通常归因于Helfrich斥力，这一机制已被广泛研究并建立理论框架。

研究进一步探讨了电荷和聚合物对层状相结构的影响。当电荷被引入时，膜层之间的长程静电斥力增强，这有助于稳定层状结构，即使在低体积分数下也能形成有序的层状相。对于PEO-2m的引入，其作为线性聚合物，具有疏水端基团，能够同时锚定到多个膜层中，通过桥接和熵约束机制，显著影响层状结构。这种聚合物的引入，使得在低体积分数（? = 5%）下层状结构仍然无序，但在? = 10%时能够形成有序结构，而在? = 20%时进一步增强层状相的有序性。

在实验过程中，科学家们使用了SANS技术，该技术能够提供关于膜层间距和膜层组织的信息。通过Nallet模型对散射强度曲线进行拟合，研究者能够量化分析层状结构的特性。在低体积分数下，由于热波动显著，散射强度曲线单调递减，且未观察到布拉格峰，表明层状结构尚未形成。随着体积分数的增加，布拉格峰逐渐显现，表明层状结构开始形成，并且随着体积分数的升高，布拉格峰变得更加显著，表明膜层间距更接近且结构更加有序。

此外，研究还分析了Caille参数η和压缩模量B?的变化，以进一步理解层状相的稳定性。η作为无量纲量，衡量了膜层之间的热波动强度。随着体积分数的增加，η值下降，表明热波动被抑制，膜层之间的相互作用增强。压缩模量B?则随着体积分数的增加而上升，反映了膜层对压缩的抵抗能力增强。引入电荷后，η和B?的变化趋势与体积分数变化类似，但电荷的加入进一步增强了膜层之间的相互作用，从而提升了层状结构的稳定性。

在聚合物的影响方面，PEO-2m的加入对层状相的结构产生了双重作用。在低体积分数下，PEO-2m通过其疏水端基团锚定在膜层之间，形成熵斥力，减少热波动。然而，由于体积分数过低，热波动仍然强烈，导致层状结构无法形成。在? = 10%时，PEO-2m的加入显著增强了膜层之间的相互作用，使得布拉格峰出现，表明层状结构的形成。在? = 20%时，PEO-2m进一步增强了层状结构的有序性，使得布拉格峰更加明显，且膜层间距更加稳定。

本研究的结果揭示了体积分数、电荷和聚合物对中性层状相结构的复杂影响。体积分数的增加有助于形成有序的层状结构，而电荷和聚合物的引入则通过不同的机制增强层状相的稳定性。这些发现对于理解层状相的形成机制和调控其结构具有重要意义。层状相在生物医学和制药领域具有广泛的应用，例如作为药物输送系统的载体，能够有效地封装和释放生物大分子，如蛋白质和DNA。因此，对层状相稳定性和相互作用的深入研究，有助于优化其在这些领域的应用性能。

综上所述，本研究通过SANS实验，系统地分析了体积分数、电荷和聚合物对中性层状相结构和稳定性的调控作用。结果表明，体积分数的增加能够显著改善层状结构的有序性，而电荷和PEO-2m的引入则通过增强膜层之间的相互作用，进一步稳定层状结构。这些发现不仅深化了对层状相形成机制的理解，也为相关领域的应用提供了理论依据和实践指导。