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为探究嵌段共聚物（BCPs）自组装行为，研究人员构建聚苯乙烯 - 嵌段 - 聚（2 - 乙烯基吡啶）（PS-b-P2VP）的粗粒化（CG）分子动力学（MD）模型。结果显示该模型与实验和理论相符，有助于从分子层面理解 BCPs 微相分离。
研究背景
在材料科学的微观世界里，嵌段共聚物（Block Copolymers，BCPs）宛如一群神奇的 “建筑师”，它们由两种或更多化学性质不同的聚合物链段通过共价键相连。当这些链段彼此 “合不来”，即化学不相容时，就会发生奇妙的 “微观争斗”—— 微相分离（Microphase Separation）。这场 “争斗” 会让 BCPs 自组装成各种规整的周期性结构，这些结构的尺寸通常在 5 - 50 纳米之间，如同微观世界里的精美建筑。
BCPs 凭借其丰富的单体种类和多样的组合方式，在众多领域大显身手。比如在光刻技术中，它能帮助制造超精细的图案；在生物医学领域，可用于药物递送和组织工程；在能源材料方面，有助于开发高效的电池和太阳能电池材料。
聚苯乙烯 - 嵌段 - 聚（2 - 乙烯基吡啶）（Polystyrene-block-poly (2-vinylpyridine)，PS-b-P2VP）作为 BCPs 中的典型代表，有着较高的 Flory-Huggins 相互作用参数（χ），这使得它相分离的倾向十分强烈。而且，它可以通过活性聚合方便地合成，分子量和链段比例能精准调控，因此受到科研人员的广泛关注。它形成的周期性结构常被用作模板，引导金属、氧化物和半导体生长，制备出磁性和光电器件；还能利用其非极性 PS 链段和相对极性 P2VP 链段的化学差异，制备出具有垂直排列纳米孔的多孔膜。
然而，深入了解 PS-b-P2VP 的自组装行为却困难重重。BCPs 的化学组成和分子量决定了其结构和器件性能，但合成特定组成和分子量的 BCPs 并测试其结构与性能，既繁琐又有时难以实现。传统的全原子分子动力学（All-Atom MD，AAMD）模拟虽能从分子尺度研究 BCPs 自组装，可微相分离发生在微米和微秒尺度，AAMD 模拟耗时极长，就像用蜗牛的速度去探索微观世界的奥秘，效率极低。于是，粗粒化分子动力学（Coarse-Grained MD，CGMD）模拟应运而生，它通过将多个原子或分子映射为一个珠子，减少系统自由度，在相同计算成本下，能在更大的时间和空间尺度进行模拟，为研究 BCPs 自组装带来了新希望。
在这样的背景下，南京工业大学的研究人员为了深入探究 PS-b-P2VP 的自组装行为，构建了基于 Martini 力场的 CG 模型，相关研究成果发表在《Chinese Journal of Chemical Engineering》上。这项研究对于从分子层面理解 BCPs 微相分离，优化材料结构和性能意义重大。
研究方法
研究人员主要采用了两种关键技术方法。一是构建模型，基于 Martini 力场，利用其指定的参数初步建立 PS-b-P2VP 的 CG 模型。二是参数优化，以 AAMD 模拟结果为参考值，通过 CGMD 模拟确定并迭代调整拟合参数，使模型更精准。
研究结果
- Martini 力场基础：Martini 力场有四种主要珠子类型，分别是极性（P）、非极性（N）、非极性（C）和带电（Q），每种还有细分类型。原子结构可通过将四个非氢重原子映射为一个珠子转化为 CG 结构，珠子间范德华相互作用由 Lennard-Jones（12 - 6）函数描述。
- 键合相互作用：由于 PS 的键合相互作用参数已有文献确定，研究重点关注 P2VP 的键合相互作用。构建包含 100 条各有 10 个重复单元的 P2VP 链的系统，在 NPT 系综下进行模拟，计算基于 AA 模型的键长和键角分布概率。
- 模型验证与结果：通过拟合 AAMD 模拟的键合性质、密度、径向分布函数（RDF）和溶剂化自由能（ΔGsolv）等，获得描述 CG 珠子相互作用的参数，使聚合物溶解度参数接近实验值。基于优化参数进行的 CGMD 模拟，成功重现了实验和理论计算中的经典自组装结构，模拟得到的相区边界与实验测定结果高度一致。
研究结论与讨论
研究人员成功构建了基于 Martini 力场的 PS-b-P2VP 的 CG 模型。该模型在参数优化后，能准确模拟 PS-b-P2VP 的自组装行为，其模拟结果与实验和理论高度相符，清晰揭示了实验相图的构象不对称性。这一成果不仅加深了对 PS-b-P2VP 自组装的理解，还为从分子层面研究其他 BCPs 的微相分离提供了有力工具，有望推动 BCPs 在更多领域的应用和发展，为材料科学的进步注入新动力。
