前言

早在20世纪30年代高分子的概念刚被接受时,W.Kuhn、E.Guth和H.Mark就基于高分子的长链特征创立了橡胶弹性的分子理论;后来基于格子模型,P.J.Flory等建立了高分子溶液的相平衡和相图计算方法,以及P.E.Rouse和B.H.Zimm等建立了高分子溶液体系的流体动力学理论,这些理论可对高分子的复杂宏观行为做出大致合理的描述.2013年美国理论化学家M.Karplus获得诺贝尔化学奖,标志着复杂大分子体系的计算机模拟研究获得了科学界的认可.近年来,我国学术界涌现了一支上百人的高分子理论模拟研究队伍,反映出我国高分子科学已经逐步走向成熟的基础理论研究阶段.这期专辑收录了反映部分重要学科前沿理论模拟研究的8篇综述,分别来自具有代表性的年轻一代大分子理论模拟科学工作者课题组,展示了他们生动形象的科学问题描述,深入浅出的理论方法介绍,以及充满激情的模拟结果探讨.     

基于化学缔合统计理论的链状流体状态方程

基于化学缔合统计理论的链状流体状态方程(EOS)能够反映实际分子的形状、链节成链、缔合等具体信息,在实际流体热力学性质计算中有着广泛应用.一般的链状流体EOS仅考虑相邻链节间的相关性,我们则借助统计力学和计算机模拟结果在模型中纳入了相间链节间的相关性,获得的硬球链流体(HSCF)模型能够更好地预测模型流体的压缩因子和第二维里系数.以HSCF为参考,引入方阱色散微扰项获得了实际方阱链流体(SWCF)EOS;结合根据黏滞球模型导得的缔合项,进一步构建了缔合流体EOS.最近,我们根据微扰理论和积分方程方法又开发了一新的变阱宽方阱链流体(SWCF-VR)模型.SWCF和SWCF-VREOSs可很好地用于计算小分子、聚合物、离子液体等纯流体及混合物的相行为、热焓、表面张力、黏度等热力学及传递性质,显示了模型良好的工程应用价值.本文就本课题组多年来在自由空间范畴内基于化学缔合统计理论开发链状流体EOS及其实际应用作系统的总结.     

柔性高分子/液晶体系的相平衡理论

在Flory-HugginS柔性高分子溶液理论和Lebwohl-Lasher液晶模型的基础上;导出了柔性高分子/液晶复合体系的混合自由能和化学位,并计算了相应的相图。计算结果表明,体系可出现各向同性相(Ⅰ)和各向同性相(Ⅰ),以及各向同性相(Ⅰ)和向列相(N)间的相平衡。并且发现,高分子链段与液晶分子间的各向同性相互作用对I/N的相平衡有重要影响。与实验结果的比较表明,本理论能完整、正确地描述高分子/液晶体系的相平衡。     

共聚高分子混合物的分子热力学模型

以硬球链流体的分子热力学模型为基础 ,引入方阱位能相互作用的贡献 ,建立了共聚高分子混合物的分子热力学模型 .模型中具有物理意义的链节参数 (链节数、链节直径和链节间的相互作用能 )由纯物质的pVT关系拟合得到 ,而用来校正交叉作用能和交叉碰撞直径的可调参数需由液液平衡的实验数据回归得到 .采用了相对简单的处理方法来确定这些可调参数 .对所选共聚高分子混合物的共存曲线、互溶窗和互溶图等相行为的关联结果令人满意 .     

White流体重整化群理论的标度性质

平均场状态方程结合重整化群理论的方法能预测流体的临界性质以及远离临界点的热力学性质. 利用经典的参数型状态方程结合White的重整化过程计算了CO2以及多种正构烷烃(C1～C7)的汽液相平衡热力学性质, 并在此基础上讨论了真实流体在临界点附近的非对称性质. 计算结果表明, White的流体重整化群理论能够很好地预测流体的相平衡热力学性质, 但是对于临界非对称性质不能给出与标度理论相符的结果.     

两性聚电解质溶液的分子热力学模型和分子动力学模拟

从带电硬球混合物出发采用化学缔合理论建立了聚电解质和两性聚电解质溶液的分子热力学模型.用考虑溶剂的粘滞力和热浴随机力作用的分子动力学(MD)方法模拟了聚电解质和两性聚电解质溶液的渗透系数.对模型预测结果和MD模拟结果进行了比较,表明基于化学缔合理论的分子热力学模型可以用于聚电解质溶液和两性聚电解质溶液热力学性质的预测,对于均聚电解质溶液效果令人满意,对由直径不同的离子构成的聚电解质溶液,模型的预测效果变差,有待进一步改进.该模型对两性聚电解质溶液渗透系数的预测效果比对聚电解质溶液的预测效果更好.     

聚苯乙烯链规整度与特性粘数的理论研究

应用构象 构型统计理论和旋转异构态模型 ,考虑大侧基对高分子链构型的影响 ,建立高分子溶液特性粘数与链无规程度的关系 ,并应用于大分子量的聚苯乙烯溶液的特性粘数的计算 ,得到特性粘数与全同、间同和无规链分子量的关系 ,并与实验结果进行比较 ,结果较为满意     

微孔中简单流体混合物扩散系数的分子动力学模拟与关联

为了了解简单流体混合物在微孔介质中的流动和传递性质,对微孔中氩和氪流体混合物的扩散系数进行了计算机模拟和关联模型研究.运用平衡分子动力学方法模拟了宏量条件下饱和氩流体的扩散系数和恒温氪流体的扩散系数,模拟值与文献实验值符合良好,从而程序的正确性得到验证.然后,采用类似Bitsanis等人的方法模拟了平板湿壁微孔中氩和氪等摩尔流体混合物在不同对比温度、不同对比密度以及不同对比孔径条件下的扩散系数,发现孔径很小的时候扩散系数会急剧的增大.同时基于这些模拟值,参考CE理论和Heyes关系式,以对比温度、对比密度以及对比孔径为变量,关联出两个简单流体等摩尔混合物在微孔中扩散系数的计算模型.模型的计算结果与计算机模拟值能够较好地吻合.     

醛酮类化合物的分子力场参数推导及热力学性质计算

针对醛酮类分子, 基于第一原理的量子化学计算结果开发了准确、可迁移的全原子力场. 利用所得到的力场, 采用分子动力学和蒙特卡罗方法对醛酮类分子的气相分子结构、振动频率、构象能和凝聚相液体性质(密度和蒸发焓), 以及流体的多种热力学性质包括气液相平衡和临界性质, 与涨落相关的等压热容, 传递性质如剪切粘度等进行了计算和预测. 计算结果表明, 该力场可准确地反映气相分子的结构、振动频率、构象能和凝聚相液体密度和蒸发焓等性质, 并准确地预测一系列醛酮类分子的多种热力学性质. 所开发的醛酮类分子力场函数形式简单, 并具有良好的可迁移性和准确性, 在应用范围和计算精度上都有明显的改善和提高.     

DFT和热力学研究氢键协同效应及对关联1H NMR的影响

用DFT方法在B3LYP／6—311 G(d,p)水平下研究了甲醇线性和环状分子簇．对于不同大小的分子簇之间定义了协同因子,计算得到的协同因子可以验证氢键的强协同效应,环状分子簇之间的协同效应远远大于线性分子簇,做为理论验证和比较,热力学模型分别采用含氢键缔合的格子流体状态方程(LFHB),以及含氢键协同效应的LFHB,关联醇一惰性体系的^1H核磁共振化学位移．考虑协同效应的关联结果优于原始的LFHB,比较量子化学计算的和热力学模型中采用的协同因子,认为甲醇和乙醇在溶液中更可能大部分以线性缔合形式存在。     

电解质模型流体的MonteCarlo分子模拟

采用正则系综Monte Carlo分子模拟方法，模拟得到了一系列状态条件下1：1 价和2：2价对称电解质模型流体的径向分布函数、构型能和压缩因子的“机器实验 数据”，这些数据对构筑电解质溶液的新参考流体具有重要意义。模拟过程中，电 解质溶液被简化为硬球离子和硬球点偶扳子的混合物，离子—离子、离子—偶极和 偶极—偶极长程位能计算采用了Ewald求和方法。最后，对离子—偶极子混合物的 结构和热力学性质与体系温度、密度和浓度的关系进行了分析和讨论。     

缔合溶液热力学性质与谱学性质的关联

缔合溶液具有与理想溶液显著不同的热力学和谱学性质,对于热力学和谱学的研究,有助于我们理解缔合溶液的特殊行为.谱学技术中核磁共振(NMR)、红外(IR)和拉曼(Raman)光谱是研究分子间相互作用和溶液结构等微观性质的有效方法,谱学已成为分子热力学研究体系"四面体结构"中的第四个顶点.本文对缔合溶液中热力学(汽液平衡和焓)和谱学(NMR,IR和Raman)联系的最新研究进展进行了综述,着重介绍相关的模型,如化学缔合模型、局部组成(LC)、格子流体氢键(LFHB)理论以及统计缔合流体理论(SAFT).     

修正的格子空间的密度泛函理论在狭缝中的应用

对描述单原子分子溶液在狭缝中的吸附现象的格子空间的密度泛函理论 (LDFT, lattice density functional theory)进行了修正, 在系统Helmholtz函数的推导中引入了平均场近似校正和Gibbs-Helmholtz方程. 对比Monte Carlo (MC)模拟结果, 发现LDFT理论对吸附分子在狭缝中的吸附浓度分布的预测与模拟数据有较大的偏差, 而修正模型的结果与模拟数据吻合较好 .随着体相浓度的变化,分子在狭缝中具有多级吸附行为, 具体表现为在特定体相浓度区, 对相同的体相浓度,狭缝中同时存在不同的分子浓度分布, 而在Gibbs等温线上可以明显看出多级吸附的性质. 对比修正前后的结果发现,两者均可以预测多级吸附行为, 但仍存在着较大的差异.     

多元气-液-固复杂体系相平衡

石油流体中含有气相、液相及可能遇到的固相包括水合物、石蜡和沥青质等,涉及多元气-液-固复杂体系的相平衡问题.为防止这些沉积物堵塞造成安全隐患,需要确定水合物、石蜡、沥青质沉积起始条件以及沉积量.本文针对化学热力学理论在含水合物、石蜡和沥青质的多元-多相平衡研究中的应用进行了综述.水合物相平衡模型较为成熟,主要有两类,其一为基于等温吸附理论的van der Waals-Platteeuw型热力学模型;其二为基于双过程水合物生成机理的Chen-Guo水合物热力学模型.石蜡沉积一般采用活度系数法、状态方程法及多固相模型描述.沥青质絮凝、沉积则可采用溶解度参数模型、状态方程法、胶体模型和标度理论模型进行计算.同时对多元气-液-固复杂体系的相平衡研究发展方向进行了展望.     

改进的聚合物溶液理论

在高分子溶液理论中引入Gibbs分布 ,用统计物理学方法重新推导出了聚合物溶液的热力学公式 .将高分子溶液的自由能和熵分三部分进行了计算 ,无热平动部分 ,无热构象部分和构象有热部分 .无热平动自由能和无热构象自由能分别等于Flory Huggins混合自由能公式的前两项 ,构象有热部分引入了Gibbs分布 ,考虑了链段 溶剂分子相互作用对高分子构象的影响 .在分子间的相互作用足够小时 ,又回到了FH公式     

缔合流体在纳米缝隙中的相行为研究

结合改进的基础度量理论(modified fundamental measure theory, MFMT)和密度泛函理论(Density functional theory, DFT), 研究了二缔合Lennard-Jones(LJ)流体在纳米缝隙中的相行为. 根据平衡时两相温度、化学势及巨势相等的原则, 计算了二缔合LJ流体在纳米缝隙中的相平衡. 阐明了缔合能量和缝隙宽度对平衡时分子和单体密度分布、吸附-脱吸等温线及汽液共存等热力学性质的影响.     

CO_2-甲醇和CO_2-乙醇体系的交叉缔合模型

在统计缔合流体理论(statistical associating fluid theory,SAFT)的基础上,将二氧化碳(CO2)处理为似缔合分子,考虑醇羟基之间的自缔合作用,以及CO2分子与醇羟基之间的交叉缔合作用,提出了适用于CO2-醇类体系的交叉缔合模型.应用该模型研究了CO2-甲醇和CO2-乙醇体系从低温低压到高温高压的相平衡性质.p-x和p-ρ相图的计算值与实验值吻合良好.研究表明,考虑CO2与甲醇和乙醇分子之间的交叉缔合对Helmholtz自由能的贡献,可显著改善相平衡性质的计算结果,并避免模型对低温区间中三相平衡和三相点的错误预测.     

电解质溶液的分子热力学模型研究进展

"本文从经典溶液理论及半经验模型、近代统计力学理论和分子模拟三大方面阐述了近年来国内外电解质溶液热力学的研究进展。指出电解质溶液的研究已逐渐从经典的溶液理论和半经验模型转向用统计力学理论进行研究, 从电解质的原始模型转向非原始模型。从分子和离子的微观参数出发建立高水平的热力学理论模型, 以预测电解质溶液体系的宏观热力学性质, 是发展的必然趋势。     

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.     

高分子动力学的单链模型

高分子单链模型是高分子稀溶液理论研究的基本模型.对其进行深入地分析,不仅有助于解决高分子稀溶液体系中溶液黏度和分子链扩散等基本问题,而且能够增进人们对高分子链结构与溶液性质间关联性的理解.虽然基于经典连续性介质力学的流体动力学理论可以定性,甚至半定量地获得稀溶液的一些重要性质,但是,随着科学技术的发展,人们从分子水平上建立了许多描述高分子稀溶液性质的模型和理论,期望能够定量地描述高分子稀溶液的性质.本文以高分子稀溶液中3个典型的单链模型为例(包括:不含流体力学相互作用的Rouse模型、含二体流体力学相互作用的Zimm模型和含多体流体力学相互作用的部分穿透球模型),综述高分子稀溶液的重要性质,并详细地给出其动力学方程的推导过程及其重要的研究进展.特别是,对于Rouse模型,本文还将其预言结果拓展到了短链高分子流体体系;此外,还介绍了这一领域的关键科学问题、发展前景和研究方向.