高分子相分离的分子动力学模拟

用粗粒化分子动力学(MD)模拟方法从分子层次研究两组分聚合物共混体系相分离过程中的动力学. 在相分离初期, 相区尺寸不随时间增加而变化; 在相分离中期, 相区尺寸与时间有很好的标度关系, 标度指数(α=1/3)符合Lifshiz-Slyozov提出的以扩散为主导的蒸发-凝聚机理的标度预测; 在相分离后期, 体系实现宏观相分离, 相区尺寸不再随时间改变而变化. 体积分数小的高分子链尺寸在相分离过程中先收缩再扩张, 在实现宏观相分离后, 高分子链尺寸又回到本体状态尺寸.     

溶液中柔性树枝状高分子的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法研究了柔性树枝状高分子在无热溶剂中的静态和动态行为. 模拟结果表明: 在分子尺寸和回转半径Rg满足标度律Rg~N1/5(G+1)2/5P2/5(其中N为树枝状分子的聚合度, G为代数, P为链节长度, g为子代代数)时; 随着代数的增加, 树枝状分子和硬球的静态结构因子相似, 表明其内部结构发生了由“类星形”向“近球形”转化. 随着树枝状分子代数和链节长度的增加, 出现了“单元”(Monomer)密度几乎不变的区域. 树枝状分子的回折能力随着链节长度的增加而增强, 随着代数的增加而减弱. 树枝状分子各子代的运动能力不同, 与内层子代相比, 外层子代在短时间内扩散较慢, 但其松弛较快. 相对于Rouse指数, 树枝状分子“单元”运动的标度更接近Zimm指数.     

结合生活实际的《高分子物理》教学——以玻璃化转变为例

针对高分子物理内容较为抽象的特点,结合作者的教学实践,提出将高分子物理理论与生活中的高分子现象结合,以提高教学效果。以玻璃化转变的讲解为例,通过生活中的玻璃化现象引入玻璃化转变的概念,实现物理现象与理论知识的结合;进而在对玻璃化转变机理的学习中,引入自由体积理论在生活中的真实应用,消除学生对理论知识的陌生感。在这样的教学过程中,既可以克服学生对高分子物理的抽象感又可以培养学生的观察能力和思考能力,达到学以致用的目的。     

高分子粗粒化分子动力学模拟进展

模拟与理论、实验相互补充,彼此验证,使我们在原子和分子尺度上理解相关实验现象中的微观物理机制。结合高性能计算机和计算技术的发展,模拟已发展成为独特的高分子科学研究手段,在高分子材料优化设计和性能与结构问的性能关系研究中起重要作用。高分子具有不同层次的结构,材料的性质和功能不仅取决于化学结构和分子性质,而且很大程度上取决...     

无定形梳状高分子固体电解质的二重玻璃化转变及典型VTF…

研究了交替马酸酐共聚物多缩乙二醇酯（ＣＰ３５０）－ＬｉＮＯ３络合物的热行为及离子导电性。实验表明：ＣＰ３５０／ＬｉＮＯ３络合物在所研究的［Ｌｉ］／［ＥＯ］配比范围呈均相无定形并具有二重玻璃化转变。２个玻璃化转变温度均随盐含量的增加而上升。离子电导率随盐浓度的变化出现１个极大值，室温电导率最大可达３．７２×１０＾－５Ｓ／ｃｍ。导电行为呈典型ＶＴＦ特征。     

高分子纳米复合材料拉伸及压缩的分子动力学模拟

利用高分子-纳米粒子粗粒化模型,对高分子纳米复合材料(polymer nano-composites,PNC)的拉伸、压缩及平衡态过程进行分子动力学模拟研究.通过模拟PNC的拉伸及压缩过程,研究纳米粒子大小、质量分数对PNC力学性能的影响及拉伸、压缩过程中PNC体系微观交联网络的变化.在纳米粒子表面积或质量分数相同的情况下,小尺寸纳米粒子对PNC的力学性能增强效果更显著.对于含有质量分数不同的小尺寸纳米粒子的PNC体系,随纳米粒子质量分数增加,其力学性能增强,但增强程度逐渐减弱,且对于拉伸过程的材料增强效应,纳米粒子的质量分数存在最优值.在PNC体系中存在高分子-高分子(polymer-polymer)、高分子-纳米粒子(polymer-NP)2种微观交联网络,拉伸及压缩过程中PNC体系中2种微观交联网络的变化趋势不同,PNC拉伸及压缩产生应力的微观机制也相应有所不同.此外,对含质量分数不同的小尺寸纳米粒子的PNC平衡态过程的模拟研究表明,PNC体系中2种微观交联网络的比例直接影响其力学性能的变化,而纳米粒子的聚集则会降低PNC的力学性能增强效果.     

分子动态模拟研究聚丙烯单链的玻璃化转变

用分子动态模拟法对单链高分子固体微粒的玻璃化转变与主链骨架键的构象态跃迁进行了模拟研究，发展了一种表征单链高分子固体微粒玻璃化转变过程的新方法．     

全α蛋白质体系能量转变的分子动力学模拟

采用简化的NHP模型并考虑蛋白质链的二级结构信息,对全α型蛋白质链进行构建.利用分子动力学模拟研究全α蛋白质体系势能的变化情况,得出键伸缩和弯曲能量随蛋白质的链长线性增加;单键的伸缩能和弯曲能随着温度的升高而线性增加,且伸缩能比弯曲能随温度的增加更为明显的结论.键扭转能随二级结构α螺旋数目的增加而线性降低,随温度的上升,扭转能变化呈现先增加后减少的趋势.非键能的大小随疏水残基在蛋白质组分中的比例增加而降低,但线性关系不明显.键扭转能和非键能都存在转变温度.蛋白质链的结构是由多种势能协同作用的结果,键能和非键能的相互竞争以及组成蛋白质链的氨基酸亲疏水性和二级结构组分都会影响蛋白质体系的能量,这些结果对深入理解蛋白质的结构提供理论依据.     

金属Cu晶化与玻璃化行为的分子动力学模拟

A series of simulations of the crystallization and vitrification processes for metal Cu were carried out by means of the molecular dynamics technique. The radial distribution function, common neighbors, internal energy and volume of the system were recorded during the processes. The atomic internal energy, atomic Voronoi volume and atomic stress field of the relax system were analyzed at zero temperature. The interaction between atoms in the system is described using the embedded atom potential as proposed by Mishin. The simulation results show that crystalline and non-crystalline phases form at lower and higher cooling rates respectively. In comparison to nanocrystals, it is found that metallic glass has higher internal energy and larger volume. The intrinsic stress field is induced by distortion of the lattice.     

机器学习方法在高分子玻璃化研究中的应用

高分子玻璃的物理性质与其结构和动力学密切相关.揭示高分子玻璃化的微观物理图像对高分子玻璃材料的结构调控和分子设计至关重要.然而,高分子的长链结构和复杂单体结构特征致使目前仍然缺乏普适的理论或者模型来定量解释高分子玻璃化的物理机制.因此,亟需发展更为先进的研究方法从而更深入地理解高分子玻璃化.近年来,国内外学者利用基于数据驱动的信息学方法(例如机器学习)对高分子玻璃化开展了研究,并取得了丰富成果.本综述首先介绍了常用的高分子信息学数据库和机器学习算法.之后,从高分子玻璃化转变温度的预测、新型高分子玻璃材料的研发、过冷液体的结构-动力学关系和玻璃体系相变的确定四个方面总结和评述了机器学习应用在玻璃化研究中的代表性进展.最后,探讨了机器学习方法在高分子玻璃化研究中面临的主要挑战,并对玻璃信息学这一领域的发展进行了展望.     

Molecular Dynamics Simulation of Glass Transition Behavior of Polyimide Ensemble

The prediction of glass transition temperature from chemical structure has a great significance to select and design new high-properties materials. However, for the estimation and correlation methods, the deficiency of parameters for newer groups will lead to invalidity of Tg prediction or greater deviation from experiment. In the present work, we predicted Tg for a polyimide (PI) ensemble with rigid moieties, and analyzed structural factor that regards to the rotation barrier of the bridging…     

受限状态聚合物熔体的分子动力学模拟

用粗粒化的分子动力学(MD)模拟方法从分子层次研究了受限于粗糙壁内的聚合物熔体的动力学性质. 结果表明, 对于链长较短的受限聚合物熔体体系, 随着膜厚的增加, 体系内部高分子链的松弛时间逐渐减少; 然而对于链长较长的受限体系, 聚合物链的松弛时间随着膜厚的增加先减少后增加. 推测这种由于链长的变化所引起的动力学性质的差异源自受限熔体内聚合物链聚集状态的改变, 并且通过考察交叠参数对这种改变进行了分析. 结果表明, 在膜厚增加的过程中, 决定受限状态高分子长链松弛机理的因素逐渐从受限效应转变成为链间的缠结效应.     

侧链液晶聚合物相转变点的分子动力学模拟

液晶基本上可分为３类：向列型液晶、近晶型液晶和胆甾型液晶［１］．液晶材料的相转变温度的预测对选择和设计液晶材料具有非常重要的作用．本文用分子动力学模拟法对聚［ω－（４′－甲氧基联苯－４－氧基）己基］甲基丙烯酸酯（ＰＭ６ＭＰＰ）单链分子进行了研究,模拟...     

Predicting Glass Transition Temperature of Polyethylene/Graphene Nanocomposites by Molecular Dynamic Simulation

The glass transition temperature of polyethylene/graphene nanocomposites was investigated by molecular dynamic simulation. The specific volumes of three systems(polyethylene, polyethylene with a small graphene sheet and two small graphene sheets) were examined as a function of temperature. We found that the glass transition temperature decreases with increasing graphene. Then the van der Waals energy changes obviously with increasing graphene and the torsion energy also plays an important role in the glass transition of polymer. The radial distribution functions of the inter-molecular carbon atoms suggest the interaction between PE and graphene weakens with increasing graphene. These indicate that graphene can prompt the motion of chain segments of polymer and decrease the glass transition temperature (T_g) of polymer.     

Coarse-grained Dynamics Simulation in Polymer Systems: from Structures to Material Properties

Polymers are widely used in our daily life and industry because of their intrinsic characteristics, such as multi-functionality, low cost, light mass, ease of processability, and excellent chemical stability. Polymers have multiscale space-time properties, which are mainly reflected in the fact that the properties of polymer systems depend not only on chemical structure and molecular properties, but also to a large extent on the aggregation state of molecules, that is, phase structure and condensed state structure. Thanks to the continuous development of simulation methods and the rapid improvement of scientific computation, computer simulation has played an increasingly important role in investigating the structure and properties of polymer systems. Among them, coarse-grained dynamics simulations provide a powerful tool for studying the self-assembly structure and dynamic behavior of polymers, such as glass transition and entanglement dynamics. This review summarizes the coarse-grained models and methods in the dynamic simulations for polymers and their composite systems based on graphics processing unit(GPU) algorithms, and discusses the characteristics, applications, and advantages of different simulation methods. Based on recent studies in our group, the main progress of coarse-grained simulation methods in studying the structure, properties and physical mechanism of polymer materials is reviewed. It is anticipated to provide a reference for further development of coarse-grained simulation methods and software suitable for polymer research.     

单分子链穿插进入双链凝聚线团的分子动力学方法模拟

用分子动力学(MD)方法模拟了聚乙烯(含300个CH₂单元)单链凝聚线团与一个双链处于平衡态的凝聚线团相互穿插的融合过程,考察分析了体系结构演变的能量信息及第三个链的引入对原来两链穿插状态的影响.研究发现,在两部分线团凝聚成一体后,各分子链一方面在表面势能各向异性的作用下试图挤入体系内部,另一方面在构象熵的驱动下又尽可能地占据体系的空间,线团的穿插是在两者共同作用下逐步完成的.第三个链的融入使得原来两个链的质心距离有所增加,链段的邻接程度减弱.     

金属纳米粒子在聚合物中的磁致排列──实验及分子动力学模拟

用磁场控制碳包镍纳米颗粒在环氧树脂中的排列,制备了具有优异电学性能的一维有序的纳米复合材料.在添加质量分数为3%-10%的镍纳米颗粒时,导电率提高了3个数量级,介电常数增大了2-3倍.对纳米颗粒的磁致排列进行了分子模拟,结果表明,偶极强相互作用是导致纳米粒子排列的主要原因,排列过程经历了聚合、成链和粗化等阶段,成链的时间尺度在秒数量级.模拟结构与实验观察结果基本一致.     

高分子/棒状纳米粒子复合物的分子动力学模拟

采用非平衡态分子动力学模拟研究了剪切场下棒状纳米粒子对高分子基体的结构、 动力学和流变性质的影响. 通过比较多种体积分数(0.8%~10%)的纳米复合物及纯熔体的模拟结果发现, 随着纳米粒子的增加, 高分子链的扩散和松弛逐渐受到抑制, 而链尺寸几乎保持不变. 从Weissenberg number(W_i)角度看, 在剪切流场下, 高分子链的结构性质(如归一化的均方回转半径、 回转张量和取向抑制参数)几乎与纳米粒子的体积分数无关, 而高分子链的Tumbling运动受到抑制. 研究还发现, 纳米复合物与纯熔体的剪切黏度曲线趋势基本一致, 即W_i=1将曲线分为平台区和剪切变稀区. 纳米棒的加入仅定量地改变了流体的剪切黏度.     

基于基团贡献法和分子动力学预测聚间苯二甲酰对苯二胺的玻璃化转变温度

采用基团贡献法(GC)和分子动力学法(MD)模拟了聚间苯二甲酰间苯二胺纤维(MPDI)和聚对苯二甲酰对苯二胺(PPTA)的玻璃化转变温度, 并与实验值进行了对比. 结果表明, 使用基团贡献法和分子动力学法测得的MPDI和PPTA的玻璃化转变温度与实验值接近, 说明基团贡献法和分子动力学法可以用来预测芳香族聚酰胺的玻璃化转变温度. 在此基础上, 采用GC和MD预测了聚间苯二甲酰对苯二胺(PPIA)的玻璃化转变温度. 在MD模拟中, 对密度、 比体积、 回转半径和非键相互作用随温度的变化规律进行了分析. 结果表明, 自由体积理论能较好地解释PPIA的玻璃化转变现象, 其中非键相互作用随温度的变化是玻璃化转变的本质原因. PPIA的玻璃化转变温度介于MPDI和PPTA之间, 有望成为综合性能介于两者之间的另一种高性能聚酰胺.