研究领域
一、多尺度自组装复合凝胶网络的结构对力学性能的调控
传统的团聚体（coacervates）是由聚阳离子和聚阴离子通过静电吸引力复合而引起的液-液相分离所产生的，其结构与相行为已被广泛研究。由于这类团聚体是导致一些与神经系统相关的疾病，如帕金森病、阿尔茨海默症等的关键原因，因此，如何避免由液-液相分离产生的团聚体是防止该类疾病发生的关键。受此启发，申请人将由离子键构成的团聚体引入由化学键交联的凝胶网络中，从而实现原位可逆地打开-再结合由物理离子键构成的团聚体，有效避免液-液相分离的发生，这种自组装体兼具传统团聚体和水凝胶两者的优势，是具有可调控的力学性能、介电性能的多重响应性材料。
多尺度自组装体系的设计
通过逐级设计多尺度自组装结构，将一级分子结构设计为中性段-聚阴/阳离子段-中性段三嵌段聚合物。当两种一级单元混合后，中间的聚离子段通过静电吸引力复合形成二级团聚体。二级复合单元再通过光交联等化学方法交联成三级凝胶网络结构。该凝胶网络兼具化学交联点和由离子键构成的物理交联点。通过精确设计一级分子结构，如聚离子段的刚柔性、离子段/中性段的比例、选择具有温度响应性的中性段等，在分子水平上实现其多重响应性，从而自组装成不同构型的二级单元，再通过调节二级单元的参数如交联密度等，最终实现三级自组装凝胶网络宏观性质的调控，从而实现多尺度逐级调控。
多重响应性能的研究
力学响应：申请人利用三重物理概念调控其响应性行为：第一，凝胶网络的弹性模量反比于两个交联点（同时包括物理、化学交联点）之间的Kuhn链段数；第二，凝胶网络中由团聚体构成的物理交联点可以通过调控盐浓度/透析实现可逆地原位打开-再结合，而化学交联点是固定的；第三，中性段选择具有温度响应性的高分子如聚（N-异丙基丙烯酰胺），控温可使其发生体积相转变。结合前两个概念可以实现连续调控自组装凝胶网络的弹性模量。结合第一、三个概念可以实现“微凝胶-水凝胶”非连续性体积相转变：通过调控盐浓度、温度使离子段和中性段同时塌缩，使整个自组装网络塌缩成一个“微凝胶”，反之也可以调节参数使离子段和中性段同时展开成一个溶胀伸展的水凝胶网络。这种“微凝胶-水凝胶”非连续性体积相转变也伴随着体系弹性模量的突变，具有温度、离子强度双重响应。此外，当团聚体由分子量较高的聚阳/阴离子复合形成时，利用其解离时的滞后效应（hysteresis effect）可以研发记忆性功能材料。
介电响应：通过介电松弛谱仪研究自组装网络在不同尺度上的多级介电松弛响应。由于在交流电场下由离子键组成的团聚体的打开-再结合动态过程有电场频率依赖性，利用其滞后效应可以使团聚体储存介电能，发展新型微储能材料。此外，设计中间离子段为半刚性，并使其在外场下发生取向，同时控温使温敏性的中性段塌缩，从而使高度取向的离子段聚并产生“类晶体”的网络结构，这种高度取向的三维网络结构有利于电荷输运、电子跃迁，从而提高电导率。
该“准团聚体凝胶网络”对深入理解多级松弛动力学、凝胶结构与力学、介电性能的关系等基础科学问题具有重要意义，也对智能开关、储能记忆材料等领域具有潜在应用价值。
二、仿生黏液的体积相转变机制及其在附着型疫苗中的应用
黏液是人体免疫系统的第一道保护屏障，它的主要功能是润滑、水合，保护上皮细胞。黏液控制着营养物质、毒素和活性细胞的进出。黏液能够在几毫秒内体积膨胀/塌缩 100-1000 倍的，被著称为“Jack in the box 大爆炸”体积相转变。根据需要，黏液或形成多孔疏松的网络结构使外来物（如药物）顺利穿过而进入人体，或塌缩成一个密实结构将外来物（如病毒）阻挡住而无法进入体内。尽管黏液是人体非常重要的保护屏障，但是人们对其“大爆炸”式的体积相转变物理机制并未理解，一直是一个困扰科学家的科学难题。
我们将研究黏液的可逆体积相转变的物理本质与发生机制，包括黏液体积相转变过程中的电荷重整化与疏水作用力的协同作用，多偶极作用与唐南平衡对体积相转变的调控规律，以及过量带电与体积反转现象等关键科学问题，力争在高分子物理学科的基础研究上做出原创性突破。基于对黏液体积相转变物理机制的深刻理解，并结合非扩散型拓扑动力学为抗体大分子创造以多熵位垒为驱动力的亚稳态，并通过与疫苗专家密切合作，共同进行关键技术开发，设计研发新型附着型疫苗，从而简易快速地阻止病毒入侵，把病毒扼杀在人体免疫系统的第一道屏障处。这种对疫苗的物理存在方式上的创新研发是对传统疫苗研发方法的重要补充。
三、两性聚电解质/电解质构筑的复合物(complexation)的反应动力学演化行为及其在神经系统疾病中的应用
带相反电荷的聚电解质、电解质可以复合形成胶束（micelles）、团聚体、类固体等丰富的结构与相态，虽然其产生机理尚不明，但是这是导致带电大分子在受限的生物水环境下无法顺利自由运输和自组装的原因，也是导致一些与神经系统相关的疾病，如帕金森病、阿尔茨海默症等的关键原因。基于此背景，我们将研究由带相反电荷的聚离子、有机盐等形成的复合结构与相态，系统地研究其微观结构，宏观相行为，动力学反应机理及其在外场下的响应。由于这类复合物的产生过程与人类神经系统相关疾病的发病过程高度相关，因此我们将系统追踪复合体系的反应动力学，以及达到平衡态之前的亚稳态结构，这一研究对于延缓与神经系统相关的疾病的发生具有重要意义。
此外，我们的一些初步实验结果显示：带电复合体可以在水中形成纤维状结晶态，这种该由聚电解质复合物形成的纤维状结晶态是对中性高分子结晶的重要补充。未来将系统研究其结构、形成机理与相图，还将考察在电场下该结晶的融化与重结晶过程，这是对传统由温控的高分子结晶行为的重要补充。
四、聚电解质自组装体的记忆效应及水基生物忆阻器的研发
在温敏性带电纳米粒子与聚阳离子-聚阴离子双嵌段聚电解质链组成的复合体系中通过调控微观的小球-小球、小球-聚电解质链之间的相互作用力，来调控体系微观的自组装结构与宏观相行为，探索自组装形成的介观复合物与液-液相分离之间的耦合效应。通过深入探索带电软物质体系的反应动力学、熵增与能耗的周期性响应来量化其记忆效应，为设计水基的大分子“记忆装置”、揭示生命的起源与进化的物理机制提供原创性突破，还为治疗与其相关的神经系统疾病如阿尔茨海默氏病等提供物理基础。
通过调节体系的物理参数如聚阳离子段/聚阴离子段的比例、离子强度、温度、浓度等，考察体系在宏观上发生的固-液相转变，包括由自组装胶束组成的分散液体、由桥连效应引起的凝胶（bridging gels）和由耗尽效应引起的凝胶（depletion gels）以及高浓度下可能形成的吸引型玻璃（attractive glass）和排斥型玻璃（repulsive glass）。第二，系统探索这些非平衡态的凝胶和玻璃在外电场调控下的响应以及相转变，比如：在电场下由静电力主导的自组装物理凝胶会融化，而对称的双嵌段电解质链（净电量为0）在偶极的相互作用下（dipole-dipole interaction） 会形成有序的自组装结构。第三，前人已经对只具有短程吸引力的胶体体系建立了相图。在此基础上，申请人通过控温来调控温敏性纳米小球之间的短程疏水吸引力，同时加入双嵌段聚电解质链来引入小球-聚电解质链之间的长程静电吸引力，通过调控小球-小球，小球-聚电解质链之间的相互作用力的强度和作用程，从而使凝胶化和相分离这两个过程相互竞争，导致λ相转变。申请人将对由长程作用力调控的具有短程吸引力的胶体粒子分散液这一全新体系建立相图，并与只具有短程吸引力的胶体体系的相图进行对比，深化对长程、短程作用力协同作用的认识。
该研究对于深入理解软物质中的非平衡态相转变等系列科学问题具有重要意义，也对发展新型软物质材料与生物技术提供了全新的视角，例如这一体系为模拟球蛋白分子/具有序列的DNA链的自组装行为建立了理想物理模型。
