中子散射技术在化学研究中的应用

中子散射在化学、软物质、基础物理、地球科学、工程等领域应用广泛,在不同领域的科学探索过程中发挥了关键作用.中子具有不带电荷、穿透能力强、对轻元素敏感、能够进行无损检测等特点.一方面,弹性中子散射在氢元素富集的化学材料体系、高分子体系、生物大分子等体系的结构研究中独具优势;另一方面,非弹性中子散射测量的能量、散射矢量范围与这类材料体系的时间、空间尺度吻合,非常适合化学过程的动力学研究.本文将通过结合中国绵阳研究堆(CMRR)中子散射平台上的应用实例,重点介绍国内外利用小角中子散射、中子反射、中子衍射、非弹/准弹性中子散射等代表性技术在化学反应机理研究、溶液中的化学过程、高分子化学、生物化学、材料化学、核化学和放射化学等领域的典型应用及前景.     

X光和中子散射方法在团簇及其聚合物复合材料表征中的应用

复杂材料体系多组分且跨多空间尺度的层级结构、同组分的多聚集态共存以及难以定量描述的组分界面相互作用和非晶态结构,致使目前对于其形成机制和构效关系缺乏清晰认识.作为一种非破坏性的、跨多个时空尺度的材料表征方法,散射技术广泛应用于复杂材料体系多级结构和动力学研究.团簇具备明确和单分散结构,其与聚合物可通过多能级相互作用形成复合物,为研究材料共性科学问题提供了模型体系.基于大科学装置弹性和准弹性X光和中子散射多模式联用,可提供衬度互补、多时空维度原位实验表征方案,实现结构演变动力学、溶液动力学和结构松弛动力学在单链(单粒子)精度上的解析,结合材料中物质、动量和能量传输规律,实现定量化材料构效关系解析.本文首先介绍X射线和中子散射技术原理和基本数据分析方法,包括以小角散射和超小角散射为主的弹性散射以及准/非弹性散射,之后结合具体团簇复合材料体系总结散射技术联用在研究形成机制和构效关系中的应用,进而评述X光和中子散射方法在材料表征中的研究特点,为解决共性材料科学问题提供可借鉴的实验方案.     

溶液小角散射技术在软物质研究中的应用与展望※

溶液小角散射实验方法是表征溶液体系多尺度时空结构的研究利器, 在软物质研究领域已得到广泛应用. 溶液小角散射包括X射线散射和中子散射, 可以在纳米到微米空间尺度以及毫秒时间尺度对溶液软物质微观结构进行表征. 微纳尺度结构与研究对象的宏观性能密切相关, 利用同步辐射X射线小角散射高通量、快速时间分辨以及中子小角散射无损、深穿透性的特点, 可以在不同环境变量下系统研究软物质体系的纳米结构及演变过程. 系统介绍了溶液小角散射实验方法的发展现状以及溶液小角散射的基本原理. 结合典型的应用案例, 展望了溶液小角散射技术的发展趋势及其在软物质领域研究中的应用前景.     

小角中子散射技术及其在大分子结构表征中的应用

小角中子散射(SANS)是一种表征从纳米到微米尺寸物质特征结构的有力工具,配合中子的强穿透性和同位素辨识等特性,在软物质大分子结构表征方面发挥着独特的作用.随着中国散裂中子源(CSNS)在2018年正式对外接受机时申请,国内SANS用户群逐年扩大.本文首先简要介绍小角中子散射技术的基本原理、谱仪结构和实验技巧,然后紧扣小角谱仪的特点和方法学方面的最新进展,介绍小角中子散射在高分子溶液、高分子共混物和复合材料、高分子结晶、凝胶、多孔材料、生物大分子等研究领域的结构表征方面的典型应用.小角中子散射和其他表征手段,如小角X射线散射(SAXS)相互紧密配合和补充,成为连接大分子内部多相多尺度的微观结构和宏观性的桥梁.     

聚氨酯制备的多尺度模拟方案

针对聚氨酯材料特性设计了多尺度计算机模拟方案, 并研究了不同原料及相同原料但不同官能度对所制备的聚氨酯材料力学性能和玻璃化转变温度的影响. 基于原子级别的结构, 建立了耦合聚合反应的粗粒化耗散粒子动力学模型来描述组分扩散及交联网络结构的形成过程. 并反映射这个粗粒化结构到全原子级别来分析材料的力学性能和热力学性能. 这个多尺度研究方案也可推广到研究多个竞争性因素同时主导的复杂体系中.     

聚氨酯制备的多尺度模拟方案

针对聚氨酯材料特性设计了多尺度计算机模拟方案,并研究了不同原料及相同原料但不同官能度对所制备的聚氨酯材料力学性能和玻璃化转变温度的影响.基于原子级别的结构,建立了耦合聚合反应的粗粒化耗散粒子动力学模型来描述组分扩散及交联网络结构的形成过程.并反映射这个粗粒化结构到全原子级别来分析材料的力学性能和热力学性能.这个多尺度研究方案也可推广到研究多个竞争性因素同时主导的复杂体系中.     

计算机模拟技术在表面活性剂研究中的应用

根据表面活性剂溶液行为的模拟所需的时间和空间尺度,介绍了三种主要的计算机模拟方法:原子模拟、粗粒模拟和介观模拟.综述了这些模拟方法在表面活性剂单体、缔合体系及与聚合物相互作用等研究中的应用.指出了用计算机模拟方法研究表面活性剂体系的发展前景.     

高分子多尺度结构与动力学的固体NMR研究

高分子材料中的微观结构和动力学特征决定了材料的最终物理化学性能,并具有典型的时间和空间上的多尺度特性。在不同时空尺度上表征凝聚态下高分子中多尺度的结构、动力学及其动态演变等问题,进而阐明其结构-性能间的关系一直是高分子科学研究中的挑战性课题。目前,固体NMR技术已成为从原子至100nm的空间和10-9～10s的时间尺度上研究固态高聚物体系中多层次结构和复杂运动并阐明其结构与性能关系的有力工具。本文将综述我们近年来系统构建的多尺度固体NMR实验技术,及其在阐明高分子链结构、链间相容性和相互作用、界面相结构及相区尺寸、以及从高频到超慢链运动等问题中的应用。     

基于全散射技术局域结构确定与凝聚态物质

原子或分子的堆积方式和元素分布是凝聚态物质的核心问题,而局域结构的精确测定则为揭示原子堆积方式和元素分布提供了重要手段。获得与化学成键直接关联的局域结构信息,是人们认识化学反应,理解功能材料设计结构本质的重要依据。基于全散射技术的原子对分布函数方法(PDF),通过考虑原子对间距的空间分布规律,为具有不同结晶状态和团聚方式的凝聚态体系提供了全尺度的结构信息。本文从介绍全散射和原子对分布函数方法的理论基础出发,根据凝聚态物质的聚集形态差异和结构化学特点,列举了近年来在研究凝聚态物质的原子对分布函数过程中,结合原位温度场、反向蒙特卡洛等方法获得的物质局域结构信息和短程到长程的结构演变。通过分析局域结构与长程结构的对比差异,从局域尺度的视角为研究凝聚态物质的化学反应、功能物性优化和外场响应提供了新的思路。     

分子动力学模拟无定形BCN体系结构特征

为研究无定形BCN材料的原子结构特征, 采用分子动力学方法模拟了高温下无定形BCN体系的动力学行为, 计算并分析了引入C原子对体系的径向分布函数(RDF)和配位数的影响. 模拟结果表明, C原子对BCN体系的RDF曲线的峰位置及形状影响很小, 但使其偏径向分布函数(PRDF)的一些峰向右偏移; 引入的C原子部分占据了原来N原子的位置, 使得B-N的配位数降低. 在模拟条件下, 未观察到BN相与C相分离.     

温敏性微凝胶的研究技术

温敏性微凝胶因具有尺寸小、对温度的变化响应速度快、渗透性好等优点,所以在许多领域显示出良好的应用前景.温敏性微凝胶的应用性能取决于由其结构所决定的物理化学性能.为了深入了解温敏性微凝胶的结构与性能关系,研究人员利用不同技术手段进行了广泛研究.本文主要综述了显微技术、示差扫描量热技术、光散射技术、中子散射技术、核磁共振及荧光光谱等在温敏性微凝胶结构与性能研究中的应用、主要研究结果,并对微凝胶未来的研究方向提出了一些建议.     

选择性膜电极研究表面活性剂与大分子的相互作用

结合本实验室的工作介绍了表面活性剂选择性膜电极研究表面活性剂与大分子相互作用的实验装置和原理,并综述了表面活性剂选择性膜电极在研究离子型表面活性剂及其二元混合体系与不同类型大分子之间相互作用中的应用.讨论了大分子的分子量、外加盐和表面活性剂的结构对表面活性剂和大分子之间相互作用的影响结果.     

钪凝固过程局域原子结构演化的第一性原理研究

采用第一性原理分子动力学模拟方法,研究了不同温度下钪熔体的局域原子结构演化和动力学行为。通过均方位移和速度自相关函数的分析,研究了钪熔体的原子动力学。当从高温降到接近熔点时,增强的背散射效应将直接影响钪熔体的动力学特性,如自扩散系数。进一步利用对关联函数、静态结构因子和键角分布分析了液态钪的局域原子结构。体系的第一配位间距随着温度降低而增大,有序度增加,扭曲二十面体结构增加。通过与其他常见金属比较,发现稀土金属钪在凝固过程的演化行为与其存在相似性的同时还保留独特的性质。本研究可以为从量子力学视角解释稀土金属熔体中的物理现象提供理论基础。     

介观模拟方法研究高分子表面活性剂在水介质中的聚集行为

高分子表面活性剂已广泛应用于许多领域, 其构型复杂、分子量大等特点使其聚集行为不同于小分子表面活性剂. 从微观上认识其聚集行为可为应用提供指导, 因而此方面的研究倍受关注. 计算机模拟技术的发展使我们能成功地在微观或介观水平上获得高分子表面活性剂聚集行为的信息. 本文综述了耗散粒子动力学(DPD)和介观动力学(MesoDyn)在高分子表面活性剂聚集行为研究中的应用. 着重介绍了这两种介观模拟方法研究单一高分子表面活性剂溶液的相行为及其与低分子表面活性剂之间的相互作用, 揭示了实验中难以观测的微观相分离及聚集体结构形态的变化规律. 这些信息可以为实验研究提供指导和补充.     

羧化聚苯醚与聚苯乙烯共混体系相分离初期分子量影响的光散射研究

本文用激光光散射方法研究了具有特殊相行为(LCST,UCST共存)共混体系羧化聚苯醚和聚苯乙烯在UCST域内的不稳相分离初期分子量对动力学参数的影响。结果表明,相分离初期动力学过程与Cahn理论吻合;随着分子量增加,表观扩散系数D_(app)明显减小;该体系的表现扩散系数为10~(-14)cm~2s~(-1)数量级。De Gennes管子模型可很好地描述不稳相分离初期大分子扩散行为。     

分子动力学模拟别构抑制剂Efavirenz对HIV-1逆转录酶的作用

为了理解非核苷类逆转录酶抑制剂(NNRTIs)与HIV-1逆转录酶(RT)的相互作用机制,利用新力场ff12SB对未结合和结合Efavirenz (EFV)逆转录酶的三种RT大分子体系分别进行了100 ns的长时间动力学模拟。通过分析EFV对RT结构的影响、不同残基柔性和不同体系构象的动力学行为等,发现EFV的结合会导致RT结构变化,从而影响RT的活性;证实了EFV的“分子楔”作用;还发现EFV的结合不但引起“拇指关节炎”,而且引起轻度“手指关节炎”;整个模拟过程中没有出现不同构象间的跃迁,但是无别构分子时的RT张开构象表现出明显的闭合倾向。这些结果有助于理解NNRTIs的抑制机制和RT构象变化的动力学性质。另外,还比较分析了模拟方法对计算结果的影响,对大分子体系的动力学模拟具有重要借鉴意义。     

超支化聚合反应的多尺度模拟

超支化聚合物具有与树枝状大分子相似的物理和化学性质,其具有合成简单、分子量分布宽等突出特点,超支化聚合物分子的结构形成取决于聚合反应过程,本文介绍了超支化聚合反应模拟研究的最新进展.首先介绍了八位置键涨落粗粒化格子模型在超支化聚合反应模拟中的应用,该方法考虑了聚合物分子空间位阻效应、分子内成环和反应点活性等影响因素,从而可以模拟不同类型的超支化聚合反应;为了定量描述单体和聚合物分子结构,研究者进一步发展了杂化多尺度超支化聚合反应模拟方法,该方法通过玻尔兹曼反演迭代方法获取单体和聚合物特异性粗粒化力场,然后通过粗粒化分子动力学方法结合反应性Monte Carlo方法对特异性超支化聚合反应进行定量模拟.多尺度聚合反应模拟不仅可以精确计算超支化聚合物分子量、多分散性指数和支化度等一般性聚合物参数,还可以获取分子成环率、超支化大分子构象等重要分子结构信息,在超支化聚合反应基础研究与预测方面具有重要应用价值.     

羧化聚苯醚与聚苯乙烯共混体系相分离初期分子量影响的光散射研究

本文用激光光散射方法研究了具有特殊相行为[(低临界溶解温度(LCST),高临界溶解温度(UCST)共存]共混体系羧化聚苯醚和聚苯乙烯在UCST域内的不稳相分离初期分子量对动力学参数的影响。结果表明:相分离初期动力学过程与Cahn理论吻合;随着分子量增加,表现扩散系数D_(a??)明显减小;该体系的表现扩散系数为10~(-14) cm~2s~(-1)数量级。deGennes管子模型可很好地描述不稳相分离初期大分子扩散行为。     

化学反应散射共振态的实验检测与理论模拟

化学反应中的散射共振态（或称反应性共振）控制着化学反应的分支比、产物的态分布及空间分布等。反应性共振的实验检测分为间接法和直接法。从理论上,一是构造反应体系的势能面,从势能面过渡态的结构来研究散射共振态;二是计算态-态反应动力学,尤其是用寿命矩阵来研究散射共振态。本文介绍反应性散射共振态的实验检测及理论模拟方法,并对今后的发展动向作出展望。     

光散射技术在高分子表征研究中的应用

光散射技术是高分子领域中重要的表征手段之一.静态光散射和动态光散射的结合能够获得丰富的关于高分子的信息,如重均分子量、回转半径、第二维里系数、流体力学半径、尺寸分布、分子链构象等.除合成高分子外,光散射技术同样适用于研究生物大分子、微生物、胶体、纳米粒子、病毒、囊泡等在溶液或悬浮液中的行为.本综述重点介绍稀溶液中静态光...