高分子动态Monte Carlo模拟的协同运动算法

在高分子动力学的研究中 ,动态 Monte Carlo模拟发挥了重要的作用 [1] .动态 Monte Carlo模拟的关键是选择具有物理真实性的高分子运动算法 .目前广为采用的算法是经 Hilhorst和 Deutch[2 ] 修正的 Verdier- Stockmayer算法 [3] 以及 Carmesin和 Kremer等的键长涨落算法 [4 ] ,陆建明和杨玉良曾提出一种高分子动态算法 [5] ,在他们的算法中很长一段链节可能作蛇行运动 ,但是冯捷等 [6 ] 指出这种运动模式不满足微观可逆性条件 .本文对该运动模式进行修正 ,得到一种协同运动算法 ,并对其动力学行为进行检验 .1　算　法在平面正方形格子…     

高分子链坍塌转变动力学过程的动态蒙特卡罗模拟

基于键长涨落格子模型和动态蒙特卡罗模拟方法,引入疏水相互作用,对均聚高分子链坍塌转变动力学过程进行了模拟研究.模拟发现,其坍塌时间呈高斯分布,而平均坍塌时间随淬火深度的变化类似于蛋白质折叠,但难以发现局部最小;另外,平均坍塌时间随链长呈指数形式变化.在其坍塌动力学过程中,高分子链构象先由橄榄球状演变为项链状,进而演变为香肠状,最后形成近球状的熔融球;基于团簇数目、团簇大小和非球面参数等参量,对前人提出的动力学过程四阶段划分进行了更为清晰的界定.     

介电松弛谱法用于高分子链动力学行为的研究

介电松弛谱法是研究高分子链松弛运动的一种有效方法.它可反映出分子的特征结构信息,对揭示高分子链动力学行为的本质及规律、调控其凝聚态结构意义重大.本文从介电松弛谱理论出发,总结出几种常用的介电特征参数以及用于解析这些参数的数学模型.通过介电松弛谱中高分子链的弛豫过程的解析,可得出与高分子链运动相关的特征参数,如介电常数、介电松弛强度以及链运动的特征松弛时间,从而判断链松弛运动的尺寸小大,松弛的基团以及链运动的协同过程;还可与Arrenius方程、Vogel-Tammann-Fulcher（VFT）方程、统计学模型建立联系,获得界面构造、分子内部组成、链动力学行为同环境的依存性等信息,为高分子材料的分子设计、开发与应用奠定高分子物理理论基础.     

聚电解质链在中等受限凝胶网络中的“受挫”动力学

带电大分子在拥堵受限水环境中的运动对于许多生命过程以及生物大分子的运输与功能至关重要.以往人们认为处于受限环境下的高分子链都能进行自由扩散运动,且遵从爱因斯坦扩散方程.即使在最强烈的受限环境下,高分子链仍能进行一维无规扩散运动,其动力学符合管道模型.我们通过实验结合理论,设计凝胶网络尺寸与高分子链尺寸的比例来调控分子链受限环境的强弱,首次发现了大分子在中等受限环境下违背了爱因斯坦扩散方程,高分子整链是不能自由扩散运动的,但是一条链内的局部链段可以在每个凝胶网格内做多级局部松弛运动.其本质是高分子整链的质心运动需要其同时克服多个熵垒,从而实现一条高分子链在所有熵阱内的链段可以同时朝着一个方向做协同运动,而这在实验的观测时间尺度内几乎是不可能实现的,因此高分子链就被“困住”,形成一种能长期存在的非扩散型的亚稳态,我们将这一新型动力学定义为非扩散型拓扑动力学.本文首先对“受限环境”——带电水凝胶的物理性质进行介绍,第二部分介绍了带电大分子在浓溶液中的耦合动力学,最后介绍带电大分子在受限环境下的非扩散型拓扑动力学,包括由熵驱动的和由焓驱动的非扩散型动力学.     

弱电场驱动下高分子链在周期管道内输运的模拟研究

采用Langevin动力学方法模拟研究了弱电场驱动下高分子链在无限长周期管道中的输运过程. 管道由长度相等的α和β两部分周期排列而成, 其中高分子链与α管道间存在相互吸引作用, 而与β管道间存在纯排斥作用. 模拟结果表明, 高分子链在输运过程中存在明显的受限阶段, 其逃离受限的方式与管道宽度有关且满足不同的规律. 对于窄管道, 高分子链在输运过程中呈直线伸展构型且运动具有“蛇爬行”特征. 高分子链逃离受限过程伴随着整条链的运动, 从而导致迁移率随高分子链长呈周期变化, 而且在迁移率极值位置, 高分子链投影长度与管道半周期之间存在简单的整数倍关系. 对于宽管道, 高分子链在输运过程中出现弯折构型且运动具有“蠕虫运动”特征. 当链长比较长时, 高分子链可通过链前端部分的伸长逃离受限, 从而导致迁移率与高分子链长度无关. 模拟结果可能有助于利用周期管道对不同长度的高分子链进行分离及可控输运.     

流场驱动高分子链迁移穿过微通道的耗散粒子动力学模拟

利用耗散粒子动力学模拟方法研究了高分子链在流场驱动作用下迁移穿过微通道过程中的链构象变化和动力学行为.在足够大的流场力驱动作用下,高分子链在沿着流场方向逐渐被拉伸,从而能够穿过管径小于其自身尺寸的微通道.耗散粒子动力学模拟结果表明高分子链的迁移过程主要分为3个步骤:(1)在流场驱动作用下,高分子链漂移并逐渐靠近微通道入口;(2)高分子链逐渐调整自身构象,并使其部分进入微通道;(3)高分子链成功穿过微通道.同时,模拟还发现当高分子链尺寸大于微通道细管道管径时,高分子链穿过微通道所需的平均迁移时间随着流量的增加而逐渐减小.此外,为了研究高分子链刚性对高分子链穿过微通道的影响,模型中还引入了蠕虫状高分子链模型.模拟结果发现,高分子链的链刚性越强,其迁移穿过微通道的时间越长.     

高分子浓溶液相分离动力学的Monte Carlo模拟

运用链动力学MonteCarlo方法模拟了高分子浓溶液的spinodal相分离动力学过程 .结果表明 :分相早期 ,散射峰的位置向左移动 ,不符合经典的Cahn Hilliard线性理论 ;分相后期 ,聚合物相形态处于逾渗状态 ,结构因子可以被标度化 ,且基本符合相应的Furukawa标度律 .模拟结果与相关实验相符 .揭示了线团尺寸在深度淬冷过程中先急剧收缩、然后随相分离的进行而逐步上升的复杂变化 ,表明链动力学MonteCarlo方法能同时考察高分子链的构象变化和多链体系的分相过程以及两者的关联     

Monte Carlo模拟研究高分子单链在基体中扩散的拓扑效应

高分子流体的性质同高分子的链结构及其动力学行为密切相关. 在高分子共混物中,共混组分的性质不仅依赖于自身的拓扑结构,还受到其它组分分子拓扑的影响. 本文中采用基于格子模型的Monte Carlo模拟方法研究了在高分子基体中扩散的4种不同拓扑组合（环形或线形高分子链）体系中目标单链的静态和动态性质. 结果发现,环形目标单链的性质受基体分子拓扑结构的影响要大于线形目标单链;其中环/线这一拓扑组合中目标单链的扩散机理相比其本体已经发生了较大改变,链末端在其中起了重要作用. 此外,我们对引起这一现象出现的可能原因做了分析.     

柱阵列中高分子的爬行过程

利用Monte Carlo算法模拟了嵌入柱阵列中高分子的爬行过程.模拟结果显示窄间距的柱阵列可以有效地抑制嵌于其中的高分子链的长度涨落,并使得高分子链的弛豫时间符合爬行理论给出的标度律.通过对比爬行理论与模拟得到的链端关联函数可知,柱阵列中的爬行过程与高分子熔体中的爬行过程存在着微妙的差别.在柱阵列中高分子的链端无法完全消灭原有的管道,从而导致了链端关联函数被爬行理论低估.本文给出的二维自回避格点模型则可以很好地描述柱阵列中高分子的爬行过程.     

基于格子的链状流体分子热力学模型

格子模型是高分子溶液理论最常采用的流体模型,在此基础上建立的分子热力学模型在流体混合物的热力学性质、相平衡行为的计算等方面有广泛的应用．最近,我们对基于格子的混合亥氏函数模型重新进行了审视,采用统计力学理论推导与计算机模拟相结合的现代分子热力学研究方法建立了新的分子热力学模型,可以反映高分子链枝化、配位数、链刚性、共聚物链组成、氢键、压力等的影响,对小分子系统和高分子溶液的热力学性质和相平衡关系的计算不仅与Monte Carlo模拟结果吻合,比现有其他理论预测效果更好,对高分子溶液、离子液体混合物等实际系统的相平衡计算也取得令人满意的结果,显示出模型优越的工程应用价值．本文对上述工作进行了系统总结．     

Monte Carlo simulations of star‐branched polymers in a network of obstacles

A simple model of branched polymers in space confined between two parallel plates is developed. Star‐branched polymer molecules are built on a simple cubic lattice with excluded volume and no attractive interactions. A single star molecule is immersed in a network of irregularly dispersed linear rod‐like obstacles. The classical Monte Carlo Metropolis sampling algorithm is employed in the simulation. The aim of this study is to determine the effects of changes in dynamic properties of the star‐branched polymer as functions of the length of the molecule and the concentration of obstacles. Also the mechanism of motion of the polymer is discussed.     

三维格点中SAT链的Monte Carlo模拟

用MonteCarlo方法模拟了三维简立方格点和面心立方格点上的线性高分子模型自踪迹规避(Self AvoidingTrail,SAT ) .求解了SAT的各种临界指数 .所得的结果显示 ,SAT的各种临界指数介于无规行走 (RW )和自避行走 (SAW )之间 .这完全是因为体排斥作用对SAT模型的限制比对SAW的限制要少一些 ,但又比对RW的限制要大一些 .SAT的各种性质介于SAW和RW之间 .因此 ,有可能SAT与SAW不属于同一个普适类     

Monte Carlo simulation of phase separation kinetics in a concentrated polymer solution

Ｔｈｅｐｈａｓｅｂｅｈａｖｉｏｒｉｎｍｕｌｔｉｐｌｅｃｏｍｐｏｎｅｎｔｐｏｌｙｍｅｒｓｃｏｎｓｔｉｔｕｔｅｓａｌｏｎｇｓｔａｎｄｉｎｇａｃｔｉｖｅａｃａｄｅｍｉｃｓｕｂｊｅｃｔｂｏｔｈｉｎｐｏｌｙｍｅｒｓｃｉｅｎｃｅａｎｄｃｏｎｄｅｎｓｅｄｓｔａｔｅｐｈｙｓｉｃｓ.Ｉｔｉｓｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｉｎｇｕｉｄｉｎｇｔｈｅｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｏｆｐｏｌｙｍｅｒａｌｌｏｙｓ[1].Ｄｕｒｉｎｇｔｈｅｌａｓｔｄｅｃａｄｅｓｍｕｃｈａｔｔｅｎｔｉｏｎｈａｓｂｅｅｎｐａｉｄｔｏｔｈｅｃｏｍ…     

Competition between liquid-crystalline ordering and glassy freezing in melts of semiflexible polymers: A monte carlo simulation

We present results of a Monte Carlo simulation of dense melts of semi-flexible polymers using the bond-fluctuation model. The chosen Hamiltonian increases the chain stiffness upon cooling which in turn leads to glass-transition like freezing of the polymer mobility. Employing an efficient simulation algorithm, which is able to equilibrate the simulated systems to lower temperature than the Rouse-type algorithm showing the glassy freezing, we are able to observe an isotropic-nematic phase transition. This transition lies above the glass transition temperature one would extrapolate from the observed freezing behavior.     

Monte Carlo simulation of osmotic equilibria

We present a Metropolis Monte Carlo simulation algorithm for the Tpπ-ensemble, where T is the temperature, p is the overall external pressure, and π is the osmotic pressure across the membrane. The algorithm, which can be applied to small molecules or sorption of small molecules in polymer networks, is tested for the case of Lennard-Jones interactions.     

Long time dynamics of a polymer with rigid body monomer units relating to a protein model: Comparison with the rouse model

Simulation data from an off-lattice polymer model are compared with data from the Rouse model. The polymer model is built of sequentially connected rigid monomer units that represent the amide planes of a protein backbone. The time propagation of the dynamics of the polymer model is performed by a Monte Carlo method. The elementary Monte Carlo steps correspond to local confomational changes in a window of three consecutive monomer units. The time autocorrelation functions of end-to-end distances from segments within the linear chain molecule are considered in detail. Both models exhibit a stretched exponential decay pattern. A comparison of the data from the Rouse model and the computer simulation provide an estimate of the time unit of 15 ps for a full scan of the algorithm for local conformational changes along the chain. With a conservative estimate of the parameters governing the Rouse model this time unit is four orders of magnitude longer than the elementary time step of a conventional computer simulation of polymer dynamics based upon the classical equations of motion for all atoms. © 1992 by John Wiley & Sons, Inc.     

Monte Carlo模拟研究抗体-抗原复合物生长的标度行为

通过Monte Carlo模拟方法对抗体-抗原复合物在等活性和非等活性条件下生长的标度行为进行了研究. 模拟所用算法的有效性通过在等活性条件下的模拟结果与解析结果之间的一致性得以证明. 在模拟中, 主要考察了抗体-抗原复合物的数量分布函数、重均聚合度以及特征关联长度在临界点附近的标度行为, 给出相应的标度指数, 并以其检验溶胶-凝胶相变的广义标度律. 研究结果表明, 非等活性对抗体-抗原复合物的生长具有显著影响, 可为临床免疫分析提供相应的理论线索.     

自由基聚合反应的Monte Carlo模拟方法

本文将化学反应动力学的MonteCarlo模拟方法运用到引发剂引发的自由基聚合反应的非稳态动力学,针对自由基聚合反应动力学数值模拟所特有的"无伸缩问题",采用"偏倚抽样法"解决了MonteCarlo模拟中的"无伸缩问题",模拟结果与非稳态动力学解的结果完全一致,此算法易推广到研究更复杂的自由基聚合反应体系。     

Multiple scattering of light from polymer dispersed liquid crystal material

Light scattering from polymer dispersed liquid crystal (PDLC) material has been studied experimentally and by Monte Carlo simulation. Light scattering was measured as a function of both scattering angle and cell thickness. The cell thicknesses of practical interest are in an intermediate regime where neither single scattering nor light diffusion applies. Both the angular and the thickness dependence of the scattering intensity can be described accurately by a Monte Carlo simulation of multiple scattering from a homogeneous distribution of independent scatterers. The model smoothly interpolates between the single scattering limit for thin cells and the diffusion limit for thick cells. It can easily be extended to include any specific feature of a scattering display system.