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复杂流体中纳米颗粒活化跳跃扩散研究获得重要进展

作者:郑旭 2020-04-13 08:56 来源:
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  纳米颗粒在高聚物、生物粘液等复杂流体中的扩散运动有重要的应用背景,被认为是药物输运的关键物理机制之一。高聚物等复杂流体具有微观非均匀结构,会导致纳米颗粒扩散运动出现反常特征。以往研究认为,对于稀释高聚物溶液(dilute polymer solution),纳米颗粒的扩散主要受限于高聚物形成的网络尺寸,当纳米颗粒直径小于网格尺寸时,会发生穿透高聚物网络的跳跃行为,被称为跳跃扩散(hopping diffusion)。这种长位移的跳跃行为,可能会在比较拥挤的微环境中发挥强化输运的作用。随着高聚物浓度上升,其溶液中网络尺寸减小,现有理论认为在纠结高聚物溶液(entangled polymer solution)中纳米颗粒的跳跃扩散不再会发生。 

   力学所非线性力学国家重点实验室微纳流体力学课题组对此问题开展了系统研究。我们通过调节高聚物浓度范围,使得实验涵盖了稀释溶液和纠结溶液。在前期工作中(Xue et al. Probing Non-Gaussianity in Confined Diffusion of Nanoparticles, J. Phys. Chem. Letters, 2016, 7: 514),我们结合均方位移MSD和位移概率密度分布DPD确认了稀释高聚物溶液中普通跳跃扩散的统计特征。之后,我们针对纠结高聚物溶液中纳米颗粒扩散运动的特征及其机理开展了研究。发现在高浓度状态下,即使当纠结高聚物溶液网络结构特征空间尺度(tube diameter dt)比纳米颗粒尺度小时,纳米颗粒运动仍然会出现间歇性的大位移(1a),由此导致了DPD的肥尾分布(1b,肥尾部分代表更高概率观测到大位移)。由于纳米颗粒尺度较大(d > dt),普通的跳跃扩散无法解释此现象,我们认为纳米颗粒必须要发生活化以克服周围网络结构的束缚,此机制称为活化跳跃(activated hopping)。在与稀释溶液中大位移跳跃现象比较稳定出现不同,如果我们使用非高斯系数a表示肥尾程度的大小,纠结溶液中大位移跳跃往往仅发生在微观网络驰豫时间te和宏观溶液驰豫时间trep之间(1ca越大表示肥尾程度越高)。我们通过测量描述了活化跳跃发生的特征时间thop,并建立了无量纲标度率thop/te ~ exp(d/dt) (1d)。此无量纲关系显示纠结高聚物溶液中的活化现象发生的频率符合Boltzmann关系及Arrhenius活化关系的描述,且在高聚物溶液中,活化现象需克服的自由能能垒符合DG ~ kBT(d/dt)

图1 纳米颗粒在纠结高聚物溶液中的活化跳跃运动特征

  研究提出了纠结高聚物溶液中发生活化跳跃的可能性,并首次通过实验系统地描述了其运动特征,发展了活化跳跃特征时间的标度率。该结果提出了拥挤生物微环境中强化纳米颗粒输运的新机制,通过特征驰豫时间与活化跳跃时间的竞争,给出了判断复杂流体中活化跳跃发生的理论判据。 

    相关成果最近发表在Nano Letters(Xue Chundong, Shi Xinghua, Tian Yu, Zheng Xu & Hu Guoqing. Diffusion of Nanoparticles with Activated Hopping in Crowded Polymer Solutions. DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c01058),第一作者为力学所博士研究生(已毕业)薛春东,通讯作者为郑旭和胡国庆。以上研究工作得到国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项(B类)(XDB22040403)、中国科学院前沿科学重点研究项目的资助。

 

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