刺激響應性仿生物大分子/聚合物刷構象轉變的理論研究單鏈DNA(ssDNA)刷、聚異丙基丙烯酰胺(PNIPAM)刷、混合高分子刷和混合聚電解質刷的刺激響應行為,在設計和制備新型表面材料方面有著潛在而巨大的研究價值,其刺激響應行為機理與實際應用有著密切聯系,已成為理論研究的熱點。近年來,實驗研究ssDNA刷、PNIPAM刷、混合高分子刷和混合聚電解質刷的刺激響應行為方面又有新進展,發現了一些新穎而有趣的現象。例如,研究發現,水蒸氣能夠調控ssDNA刷的溶脹或塌縮;通過改變溫度,可以實現接枝在帶電納米粒子表面的ssDNA刷構象的轉變;PNIPAM刷能夠吸附HC1氣體,并且HC1氣體還能夠影響PNIPAM刷的構象;pH可以誘導混合聚電解質刷的構象發生轉變。本文應用分子場理論研究了ssDNA刷、PNIPAM刷、混合高分子刷和混合聚電解質刷的構象轉變和結構特性。理論結果解釋了實驗發現的新現象,預言了一些新的構象轉變行為和結構。具體內容如下:第一章,我們簡要地概述高分子刷體系、高分子刷的制備與結構測定、研究高分子刷的相關理論,重點介紹分子場理論,闡述本文的研究內容。第二章,應用分子場理論研究水蒸氣誘導的ssDNA刷構象的反常轉變。理論模型考慮ssDNA-水氫鍵以及水-水氫鍵,結果表明,水蒸氣誘導的ssDNA刷構象的反常轉變的本質是由于ssDNA-水氫鍵以及水-水氫鍵作用的結果。當ssDNA刷暴露于水蒸氣中,由于ssDNA-水氫鍵、水-水氫鍵和ssDNA刷的構象耦合,隨著水蒸氣濃度的增加,ssDNA刷首先塌縮,然后隨著水蒸氣濃度繼續增加,ssDNA刷開始溶脹。在減少水蒸氣濃度的過程中,ssDNA刷則是單調地塌縮。ssDNA刷在增加水蒸氣/減少水蒸氣的兩個過程中構象轉變的滯后現象(不可逆性)也是由于氫鍵效應。通過數值計算從理論上解釋了實驗結果,預言了在ssDNA接枝密度足夠高的情況下,增加體系中的水蒸氣,會形成由ssDNA-水氫鍵和水-水氫鍵交錯鏈接的三維網絡狀凝膠結構。第三章,應用分子場理論研究接枝在帶正電荷的納米粒子表面的ssDNA刷響應溫度的構象轉變和結構變化。理論模型考慮ssDNA分子的構象、帶電特性,以及帶負電荷的ssDNA單體與帶正電荷的納米粒子表面間的靜電吸引作用。研究發現:1)對于長鏈ssDNA刷,當溫度低于臨界轉變溫度時,接枝在帶正電荷的納米粒子表面的ssDNA刷塌縮,這是由于帶負電荷的ssDNA單體與帶正電荷的納米粒子表面間較強的靜電吸引作用;2)對于短鏈ssDNA刷,響應溫度的構象轉變不會發生,這是由于帶負電荷的ssDNA單體與帶正電荷的納米粒子表面間的靜電吸引能不足以克服靜電排斥能和ssDNA的彈性勢能;3)隨著溫度的升高,帶負電荷的ssDNA單體與帶正電荷的納米粒子表面間的靜電吸引作用急劇減弱,當這種靜電吸引作用不能克服靜電排斥能和ssDNA的彈性勢能時,接枝在帶正電荷的納米粒子表面的ssDNA刷溶脹。理論結果解釋了接枝在帶正電荷的納米粒子表面的ssDNA刷響應溫度的構象轉變和結構變化特性,并且預言:由于ssDNA的解離度隨接枝密度的增加,長鏈ssDNA刷的平均高度H將會隨接枝密度的增大而呈現最大值,在納米粒子表面出現膠束結構。第四章,應用分子場理論研究PNIPAM刷對HCl氣體的吸附/解吸附特性。理論模型考慮PNIPAM-HCl氫鍵,以及PNIPAM-HC1氫鍵與PNIPAM刷構象的耦合,研究發現,PNIPAM刷對HC1氣體的吸附/解吸附的本質是由于PNIPAM-HC1氫鍵效應;在適當的接枝密度條件下,PNIPAM-HCl氫鍵效應將導致PNIPAM刷的平均高度決定于HC1氣體濃度;同時,PNIPAM刷的構象特性又明顯地影響PNIPAM刷對HCl氣體的吸附/解吸附特性。并且發現,PNIPAM刷吸附和解吸附HC1氣體兩個過程的不可逆性,這也可以歸結為PNIPAM-HCl氫鍵效應。理論結果解釋了PNIPAM刷吸附HCl氣體和解吸附HC1氣體的本質,并預言,太大的接枝密度會不利于PNIPAM刷吸附HCl氣體。第五章,應用分子場理論研究了溶劑誘導的混合高分子刷的垂直相分離、混合高分子刷體系中的熱力學量,以及pH誘導的混合聚電解質刷的構象轉變行為。對于混合高分子刷體系,研究了由于溶劑的選擇性,混合高分子刷在垂直于培基表面方向的相分離,根據混合高分子刷表面壓的計算,分析了混合高分子刷的結構變化;對于混合聚電解質刷的構象轉變行為,研究了pH誘導的混合聚電解質刷的構象轉變。研究發現,在低的pH情況下,混合聚電解質刷中帶負電荷的聚電解質鏈蜷縮于刷的底部,帶正電荷的聚電解質鏈舒展;在高的pH情況下,兩種聚電解質鏈的構象則呈現相反的轉變。pH誘導的混合聚電解質刷的構象轉變機制為:H+和OH-作為抗衡離子,在聚電解質鏈構象轉變中起著重要作用,聚電解質分子鏈舒展是由于靜電排斥增加,聚電解質分子鏈蜷縮則是由于存在以抗衡離子為中介的靜電吸引作用和靜電屏蔽效應。第六章,總結全文,并對今后有關ssDNA刷