基础理论纵贯化学学科:吉林大学“统计力学与分子模拟”课程建设*

化学的基础理论的演进不断重塑着化学学科。传统的教学体系所依据的理论范式落后于现代化学理论的发展。吉林大学化学学院面向本科学生开设了“统计力学与分子模拟”课程。针对吉林大学本科学生的特点,精心安排了教学内容,通盘考虑知识体系的衔接,优化了教学方法。同时,淬炼了课程中的思政元素,从而在思想、道德、知识等3个方面进一步提升学生的综合素质。     

两亲性接枝共聚物在选择性溶剂中自组装行为的模拟研究

利用粗粒化分子动力学(CGMD)方法研究了两亲性接枝共聚物在不同选择性溶剂中的自组装行为. 分析了主链刚性及链长对自组装结构的影响. 研究结果表明, 当溶剂对主链为良溶剂而对支链为不良溶剂时, 两亲性接枝共聚物随主链刚性的增加自组装形成花状胶束、 花桥状胶束及桥状胶束, 并且组分比例对自组装结构影响很大; 随着链长的增加, 柔性链出现单花状胶束到多花状胶束的转化. 当溶剂对主链为不良溶剂而对支链为良溶剂时, 可得到近球形或椭球形核壳状胶束及束状结构; 不同链长时, 柔性接枝共聚物链均只能得到近球形的单核壳状胶束.     

软三嵌段两面神胶体粒子自组装行为的模拟研究

采用软补丁粒子模型及相应的介观动力学模拟方法, 研究了软三嵌段两面神胶体粒子在稀溶液条件下的自组装行为. 通过合理调节补丁大小和补丁之间的吸引强度, 软三嵌段两面神胶体粒子能够自组装形成非常丰富的聚集结构, 包括线状结构、 六方柱状结构、 体心四方束状结构以及三维网络状结构. 此外, 分析了与纤维结构类似的体心四方束状结构形成的动力学机理. 模拟结果为实验上设计并制备新颖的超胶体纳米结构提供一定的理论支持.     

长径比对椭球粒子液晶行为的影响

利用Gay-Berne模型, 结合分子动力学模拟方法, 研究了粒子长径比对椭球粒子液晶行为的影响, 考察了粒子长径比对向列相和近晶相的影响. 结果表明, 长径比相对较小的粒子有利于向列相的形成, 而长径比相对较大的粒子更有利于近晶相的形成. 分析了近晶相和向列相形成的动力学过程.     

杂臂星型嵌段共聚物在溶液中自组装形成囊泡结构的计算机模拟

利用耗散粒子动力学模拟方法, 研究了杂臂星型嵌段共聚物A_m(B_n)₂在溶液中自组装形成囊泡的行为. 主要分析了自组装过程、亲水分枝和疏水分枝的长度及分子构型对组装结构的影响. 结果表明, 杂臂星型聚合物在溶液中会自组装形成碟状胶束, 之后弯曲闭合形成囊泡. 当亲水部分的分枝较短时, 易于形成囊泡结构; 在可形成囊泡结构的条件下, 双分子层囊泡膜的厚度随分枝长度的增加而增加. 与构成相近的线型嵌段共聚物相比, 杂臂星型嵌段共聚物更易形成囊泡结构, 且形成的囊泡结构较薄.     

线形、梳形和星形高分子静态和动态性质的模拟

以梳形高分子为纽带,基于粗粒化分子动力学模拟方法,研究了线形、梳形和星形拓扑结构高分子的静态和动态性质,以揭示稀溶液中高分子链行为与链拓扑结构依赖关系的一般性规律.研究结果表明,随着线形-梳形-星形的链拓扑结构转变,回转半径的标度关系由仅依赖分子聚合度转变为同时依赖链聚合度与臂数或侧链数.分析了星形高分子和梳形高分子的静态和动态性质的特征规律.星形高分子的臂数增加使其尺寸迅速减小,形状则由长椭球形转变为类球形,且扩散系数也随之增加;其均方回转半径(〈R_g〉)和扩散系数(D)与分子聚合度(N)及臂数(f)的标度规律为〈R_g〉~N~(0.581)f~(-0.402),D~N~(-0.763)f~(0.227).梳形高分子的静态与动态性质与分子聚合度及侧链数的依赖关系为〈R_g〉~N~(0.597)f~(-0.212)(每个支化点只有一条侧链)和〈R_g〉~N~(0.599)f~(-0.316)(每个支化点有多条侧链).     

软胶体粒子形成束晶的动力学模拟

利用广义指数模型描述软胶体粒子, 结合分子动力学模拟研究软胶体粒子形成束晶的动力学过程. 通过等温压缩和等密度降温2个不同的过程, 研究了束晶形成过程中结构变化特征和动力学路径对结构的影响规律. 研究发现, 与蒙特卡洛模拟结果相比, 分子动力学模拟得到的结构随着密度的变化有明显的迟滞现象, 这是由于考虑了真实的动力学因素引起的差异. 此外, 在相同温度和压力下通过不同的动力学路径得到的相结构不完全相同, 这是由于动力学形成过程会对相结构产生很大的影响.