两端系留纳米粒子聚合物的分子动力学模拟

两端系留纳米粒子聚合物是研究末端对聚合物链弛豫行为影响的优选分子模型.本文构建了两端系留纳米粒子聚合物模型,运用粗粒化分子动力学方法研究了两端系留纳米粒子聚合物的特征温度和弛豫行为,探讨了纳米粒子半径和聚合物链长对玻璃化转变温度、结晶温度和介电性能的影响.研究表明,聚合物两端纳米粒子的存在可延缓聚合物链的弛豫并促进结晶,使两端系留纳米粒子聚合物的玻璃化转变温度和结晶温度均增加.研究结果与相关的实验报道吻合,可加深对两端系留纳米粒子聚合物结构和性能的理解.     

分子动力学模拟在聚合物热解中的应用

分子动力学模拟作为分子模拟的重要分支已经在化学、化工、材料、生物等领域受到了广泛的关注。介绍了分子动力学模拟的基本原理,阐述了分子动力学模拟在高分子聚合物热解反应机理研究中的应用。实例表明:在研究物质化学反应机理方面,分子动力学模拟是一种有效的研究手段。     

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.     

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.     

纳米粒子填充聚合物体系中凝聚结构和渗流转变的分子动力学模拟

通过粗粒化模型,采用分子动力学模拟的方法研究了纳米粒子填充聚合物体系中粒子的凝聚过程.结果表明:纳米粒子和基体粒子间的相互作用决定了团聚体的结构,且作用力越大则团聚体的分形维数越高,当粒子的相互作用强度(εNP)为1.0时,模拟体系中团聚体的分形维数为2.05,与聚酰亚胺炭黑体系透射电镜照片结果一致.对渗流过程的模拟结果表明,相互作用力的增大会导致渗流时间的增加,渗流转变速率减慢,与动态电渗流实验的实测结果相符合.     

双层铜金属薄膜纳米压痕机械性能的分子动力学模拟

多层金属薄膜的机械性质在纳米组件的设计上是非常重要的.目前,纳米尺度材料的机械性质测量的最主要方法为纳米压痕检测技术.本文应用分子动力学理论对双层铜金属薄膜界面的结构形态与特性进行分析探讨.选用FCC结构单晶铜的(100)面,(110)面和双层铜金属薄膜作为探讨界面性质的材料,进而探讨了单晶铜及双层铜金属薄膜的纳米压痕变形性质.     

聚合物-金属纳米复合材料的制备与应用

综述了聚合物-金属纳米复合材料的制备方法，包括原位形成法、沉积法、离子注入法、辐射化学法、光照化学法、直接分散法、球磨法；介绍了聚合物．金属纳米复合材料的应用领域，最后展望了这种材料的发展前景。     

纳米器件的分子动力学模拟

分子动力学广泛应用于分子体系, 但受限于计算能力, 一般难以用于纳米器件的研究. 本文采用自主开发的超大规模分子动力学仿真程序(NanoMD), 构建了原子级的纳米齿轮模型, 并以此为代表实现了对具有高速转动特性的纳米器件的模拟. 通过位错和缺陷分析, 确定了纳米器件在高速转动过程中的应力分布以及失效机制, 并明确了以极限弹性转速为依据的材料强度衡量模式. 研究发现纳米器件在极限转速方面存在明显的尺寸效应: 随着器件直径的减小而单调增大, 随着轴径的缩小而先增大后减小.     

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.     

金属纳米粒子/聚合物体系的稳定性及其机理

金属纳米粒子由于其小的尺寸和大的比表面积等特点,使其具有独特的热性能、电性能、磁性能和光性能,以及很强的团聚趋势。因此金属纳米粒子是否被稳定在纳米尺度内,是它们能否表现出独特性能的关键。本文综述了非离子聚合物、聚电解质、两亲聚合物、双亲水聚合物、树状聚合物对金属纳米粒子的稳定作用及其稳定机理的研究进展。     

Melting Behaviour of Shell-symmetric Aluminum Nanoparticles: Molecular Dynamics Simulation

Molecular dynamics simulations with embedded atom method potential were carried out for Al nanoparticles of 561 atoms in three structures: icosahedron, decahedron, and truncated octahedron. The total potential energy and specfic heat capacity were calculated to estimate the melting temperatures. The melting point is 540±10 K for the icosahedral structure,500±10 K for the decahedral structure, and 520±10 K for the truncated octahedral structure.With the results of mean square displacement, the bond order parameters and radius of gyration are consistent with the variation of total potential energy and specific heat capacity. The relaxation time and stretching parameters in the Kohlraush-William-Watts relaxation law were obtained by fitting the mean square displacement. The results show that the relationship between the relaxation time and the temperatures is in agreement with standard Arrhenius relation in the high temperature range.     

高分子玻璃化转变过程的分子动力学模拟本科教学实验

玻璃化转变是高分子专业教学中的重要内容,转变过程中自由体积的变化和分子链段的运动是理解玻璃化转变的难点。在计算机上使用分子模拟的方法得到三维的可视化图形,可以更直观地观察到自由体积和分子链的变化。提炼近年分子模拟技术在玻璃化转变研究中的最新科研成果,得到既有理论基础又适合本科教学的课程素材。分子模拟可以实现了仪器测试无法达到的超快速升降温,并与仪器测试得到的实验结果相对照,验证了普通实验很难验证的理论观点,从而拓展了本科实验的范围,达到了很好的教学效果。     

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.     

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.     

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.     

贵金属Au的液态结构分子动力学模拟

用分子动力学模拟方法在1573－200K的温度范围内对液态Au的微正则系综进行了模拟研究。模拟采用或嵌原子相互作用势对时间和空间的平均，得到了不同温度下Au的润分布函数及原子组态变化的重要信息，并利用键对分析技术对模拟结果作了深入讨论．     

小尺寸金属团簇熔化过程的分子动力学模拟

运用分子动力学方法模拟了小尺寸金属团簇的熔化过程, 原子之间的作用采用嵌入原子法(EAM)模型, 计算了均方根键长涨落δ随温度的变化, 以及升温过程中团簇热容的变化. 包含55、56个原子的面心立方(FCC)结构Au团簇的熔化过程是基本相同的. 而同样结构和数目Cu团簇的熔化过程却呈现出不同的趋势. Cu55、Cu56在模拟过程中都出现了FCC结构到二十面体结构的转变. 但由于表面多出了一个原子, Cu56的热容曲线比Cu55多了一个峰, 体系出现了预熔化现象. 这表明小尺寸团簇的固液转变的过程与团簇的原子类型、几何结构和原子数目密切相关.     

表面上锚定聚乙烯链聚集的分子动力学模拟

利用分子动力学模拟方法研究了锚定于二维无限大表面上的聚乙烯分子链的聚集和有序化过程.聚乙烯链与表面的相互作用采用一个以平面法向距离为函数的势能表达式S(z).以均方回转半径垂直于表面的分量s²⊥作为指标,考察了模拟过程中表面势能函数的强度效应和模拟体系的温度效应.研究了锚定聚乙烯在表面上聚集的有序化过程,考察了锚定聚乙烯链的聚集成核的动力学过程,聚集体的形貌及分子量依赖性.发现锚定聚乙烯在300K时只在锚定点附近形成一个局部有序结构,然后以此为核进行生长.在模拟得到的有序程度不同的聚集体结构中,锚定点都位于聚集体链轴的端面.