北京大学先进制造与机器人学院陈光课题组提出一种基于单胞模型的聚电解质刷标度理论

近日，北京大学先进制造与机器人学院陈光课题组在高分子领域权威期刊Macromolecules上发表研究论文，论文题为“A Scaling Theory for Polyelectrolyte Brushes: Insights from Intermonomer Electrostatic Interactions”。该研究提出了一种基于单胞模型的聚电解质刷标度理论，系统揭示了单体间静电相互作用对聚电解质刷构型及溶胀行为的关键影响，为界面软物质结构调控提供了新的理论框架。

论文截图

聚电解质刷是由带电高分子链密集接枝于界面形成的典型软物质体系，其厚度与构象对盐浓度、pH及外场高度敏感，广泛应用于纳米通道、药物递送与润滑涂层等领域。传统理论认为，在高盐条件下刷层高度随盐浓度满足一定的标度关系，但大量实验与模拟结果却显示更弱的依赖关系，长期缺乏统一解释。

图1（a）聚电解质刷示意图 （b）解析带电单体间静电相互作用的单胞模型

针对这一问题，研究团队构建了能够显式刻画单体间电势分布的单胞模型，将聚电解质链视为由局域“单体单元”组成，并结合电双层结构分析，系统推导出刷层高度的多区域标度律。研究首次揭示了一种新的高盐标度区间，显著偏离经典理论预测。

图2 无量纲聚电解质刷高度随盐浓度变化关系

图3 （a）不同带电分数下，无量纲刷层高度随无量纲盐浓度的理论与数值预测；（b）分子动力学模拟结果刷层高度随无量纲盐浓度的标度关系；（c）(d) 分子动力学模拟得到的聚电解质刷构型及局部放大图，其中蓝色为带电单体，黄色为反离子，紫红色为共离子

此外，研究提出了关键参数“临界电荷分数”，用以区分弱带电与强带电体系，并阐明经典标度律仅在弱带电的聚电解质刷中成立。通过分子动力学模拟，理论预测与数值结果高度一致，验证了该模型在不同参数区间内的可靠性。

该工作从微观静电相互作用出发，建立了统一描述聚电解质刷溶胀-收缩行为的理论体系，不仅解释了长期存在的实验偏差，也为智能界面材料设计、离子调控及生物界面工程提供了重要的理论依据。

本研究得到国家自然科学基金项目（No.12372259）的支持。北京大学先进制造与机器人学院博士生陈佳东为论文第一作者，博士毕业生段明宇（现为北京工业大学讲师）、博士生张润祺分别为第二、第三作者，陈光为通讯作者。