高分子玻璃化熵理论研究进展

玻璃化问题的理论描述是凝聚态物理中的重要基础科学研究课题.高分子是研究玻璃化的典型模型体系,其独有的分子特征为发展有效、普适的玻璃化理论提供了新的机遇.构型熵是发展玻璃化理论的一个核心物理量.基于构型熵的模型可追溯至近一个世纪前观察到的熵与动力学关联的实验现象,并且近年来该理论的发展进入了一个新的阶段,特别是在高分子玻璃化的研究中.本文首先对玻璃化经典熵理论的发展进行了回顾,并介绍了高分子玻璃化熵理论的基本框架.之后,从分子细节影响高分子玻璃化的物理机制、热力学标度与活化体积的理论描述和高分子过冷液体的热力学-动力学关系三个方面阐述了本课题组近年来基于高分子玻璃化熵理论的研究进展,重点强调了该理论在理解高分子玻璃化关键问题中的价值和优势.最后,探讨了高分子玻璃化熵理论进一步发展面临的问题与挑战,并且对玻璃化理论研究的未来发展方向进行了展望.     

链分子的构象弹性理论

研究基于旋转异构态模型、用末端距与构象能描述的链构象分布函数、以及链构象态在体系形变中的消失规则,发展了一个链分子的构象弹性理论.用该理论描述的理想形变行为,支持天然橡胶在大形变时应力陡然上翘归因于链构象变化的观点在物理上的合理性.该理论能够区别不同化学结构高分子所具有的不同形变行为,能够预报高分子形变中熵项与内能项各自的贡献.预报了天然橡胶形变中内能的贡献约为13%, 与实验相符.     

强熵效应与大分子体系的熵调控

在大分子体系中,以链的构象熵为主的熵效应对体系的微观结构和宏观性能都起着至关重要的作用.然而,熵的统计本质使其远不像焓作用那么直观,甚至会导致反直觉的现象出现.因此,探寻大分子体系中的熵效应,对于深入揭示此类体系纷繁复杂现象背后物理机制的重要性来说是不言而喻的,已成为高分子与软凝聚态物理学以及生命科学等多学科相交叉的重要前沿研究领域.如何在阐释熵效应的独特作用规律基础上,有效地调控熵以实现对体系微观结构的熵调控进而发展新型功能体系,是该领域一个亟需解决的重要科学问题.本文总结了我们在提出并发展熵调控策略方面的研究进展.首先,剖析了熵效应的一些基本作用规律,涵盖熵致有序和熵力等,并进一步提出了强熵效应的概念.其次,阐述了熵调控策略的必要性、基本原理以及调控途径.同时,举例介绍了熵调控策略在大分子体系中的应用,涵盖高分子纳米复合体系、凝胶网络、生命大分子体系以及大分子胶体体系等.最后,简明扼要地展望了该领域的未来发展趋势以及面临的关键问题,以期为其以后的发展提供些许有益的启迪.     

密度泛函活性理论中的Rényi熵, Tsallis熵和Onicescu信息能

根据密度泛函理论,分子的电子密度确定了该体系基态下的所有性质,其中包括结构和反应活性.如何运用电子密度泛函有效地预测分子反应活性仍然是一个有待解决的难题.密度泛函活性理论(DFRT)倾力打造这样一个理论和概念架构,使得运用电子密度以及相关变量准确地预测分子的反应特性成为可能.信息理论方法的香农熵和费舍尔信息就是这样的密度泛函,研究表明,它们均可作为反应活性的有效描述符.本文将在DFRT框架中介绍和引进三个密切相关的描述符, Rényi熵、Tsallis熵和Onicescu信息能.我们准确地计算了它们在一些中性原子和分子中的数值并讨论了它们随电子数量和电子总能量的变化规律.此外,以第二阶Onicescu信息能为例,在分子和分子中的原子两个层面上,系统地考察了其随乙烷二面角旋转的变化模式.这些新慨念的引入将为我们深入洞察和预测分子的结构和反应活性提供额外的描述工具.     

具有最高共溶温度高分子共混体系的压力诱导相容性热力学研究

根据具有最高共溶温度高分子共混体系的压力诱导相容实验结果, 结合Sanchez-Lacombe格子流体理论和文中给出的关于嵌段共聚物标度参数组合规则, 对高分子体系在压力作用下的混合焓、混合组合熵、混合空位熵和Gibbs混合自由能等热力学性质进行了研究. 研究结果表明Sanchez-Lacombe格子流体理论和新的关于嵌段共聚物标度参数组合规则可以用来描述压力作用下的具有最高共溶温度高分子共混体系的压力诱导相容性.     

熵驱大分子胶体粒子的柱状受限结晶

熵是物理化学的基本状态参量,在统计力学和热力学中处于核心位置.按照玻尔兹曼的微观解释,熵可以由孤立系统微观状态的数目(W)给出,即S=kBlnW,这里kB为玻尔兹曼常数[1,2].根据此公式,微观状态数越多,系统越混乱,熵越大,所以熵常被视作体系无序程度的度量.但熵增仅对应体系微观状态数的增加,与可观测的结构有序程度无关[3~5].在一些典型的软物质体系中,结构越有序熵反而越大,如胶体硬球在随机密堆积点的有序结晶[6]及描述各向异性棒状分子从各向同性相到向列相转变的Onsager原理[7].     

氢键流体中Janus粒子的过量熵

Janus粒子在结构和性质上的特殊性使其在不同溶剂中呈现出丰富的聚集态结构和相态结构,这与其在溶液中的过量熵密切相关.本文以Janus粒子与氢键流体的稀溶液体系为例,利用经典流体的密度泛函理论研究了氢键流体中Janus粒子的过量熵.首先在极稀条件下给出Janus粒子外氢键流体中的局域密度分布,由此得到Janus粒子与氢键流体的二体分布函数,进而计算了不同情况下的过量熵.在此基础上,阐明了Janus粒子与氢键流体间的相互作用、氢键流体的体相密度、氢键强度和氢键官能度等因素对过量熵的影响.本研究旨在揭示这些因素对过量熵的调控机制,在定量水平上明确Janus粒子在溶液中组装的驱动力,从而为深入研究其聚集态结构提供可借鉴的理论线索.     

Flory状态方程理论与聚合物混合物的热力学

由Flory状态方程理论的化学位公式推导了二元混合物的亚稳单相极限线,同时导出了状态方程参数的温度、压力依赖性,计算表明Flory理论是可以像McMaster修正理论一样描述聚合物的相溶性行为的。 指出前人的工作由于假定相互作用能和熵参数均为0,分子量和状态方程参数对相界的影响被誇大了,相分离也只发生在很窄的浓度范围内。如果考虑了实际体系中相互作用能和熵参数均不为0,上述因素对相界的影响以及相界的形状将趋于合理。     

浅谈信息量与物理化学中的熵及波函数的联系

信息量(I),熵(S),波函数(φ)是从不同领域提出的概念。熵出自热力学,它是孤立体系中某过程能否自发进行的重要判据。波函数在量子力学中用于描述体系的量子状态。信     

基于块相关框架的多参考微扰理论和多参考耦合簇理论

传统单参考电子相关方法已经发展成熟,但很多时候无法正确描述共价键解离、双(多)自由基和激发态等电子之间相关性非常强的体系。近年来发展的多参考微扰理论和多参考耦合簇理论以多个行列式的线性组合为参考波函数,采用不同的方式有效考虑电子之间的动态相关,对强关联体系的描述取得了显著的改进。但根据理论出发点和精度要求的不同发展出了许多多参考理论,仍无一个公认的、令人满意的方案。本文将结合与常见电子相关方法在理论框架和计算精度上的比较,详细阐述块相关理论的基本原理,并介绍基于块相关的"另类"多参考电子相关方法。最后本文还简单展望了多参考电子相关方法今后的发展趋势。