两性离子单体聚合对水分子动力学的影响机制：基于DFTB-MD模拟与DSC/THz-TDS的多尺度研究

【编辑推荐】为解决聚合作用对水分子动力学的分子机制不明问题，研究人员通过密度泛函紧束缚分子动力学(DFTB-MD)模拟结合差示扫描量热法(DSC)和太赫兹时域光谱(THz-TDS)，揭示了两性离子聚合物PDMAO与PMPC分别通过"水分子捕获"和"氢键网络破坏"机制调控水分子旋转动力学，为生物材料功能优化提供分子层面新见解。

　　

水分子行为深刻影响着蛋白质稳定剂和生物材料的效能。虽然小分子聚合能增强其功能特性，但聚合物与小分子周围的水合状态及水动力学通常被分开研究。采用密度泛函紧束缚分子动力学(DFTB-MD)模拟五种两性离子溶液体系——包括氧化三甲胺(TMAO)、N-[3-二甲胺基丙基]丙烯酰胺N-氧化物(DMAO)单体及其聚合物(PDMAO)、2-甲基丙烯酰氧乙基磷酰胆碱(MPC)单体及其聚合物(PMPC)，首次在分子尺度揭示聚合作用对水分子的差异化调控机制。

有趣的是，DMAO与MPC聚合产生截然相反的效应：PDMAO通过侧链间形成的氢键"囚禁"水分子，导致其旋转变慢；而PMPC因聚合减少溶剂可及表面积，反而破坏水分子间氢键网络，使水分子旋转加速。差示扫描量热(DSC)与太赫兹时域光谱(THz-TDS)定量检测的水合程度与模拟结果高度吻合，这种多尺度研究方法为理解小分子聚合过程中的水动力学调控提供了全新视角，对设计高性能生物材料具有重要指导意义。