受限高分子链穿越纳米管道的计算机模拟

采用计算机模拟研究了受限空间的高分子链穿越纳米管道的行为. 研究结果表明,对于不同的管道-高分子链相互作用的管道,高分子链成功穿越管道所需的平均时间随着链长或管道长度的增加线性增大. 然而,管道-高分子链之间较强的排斥和吸附作用会分别增加高分子链单元进入或离开管道的难度,因此高分子链的平均穿越时间随着管道-高分子链相互作用的增大非单调变化. 同时进一步研究高分子链在穿越纳米管道时的动力学过程,分析了管道-高分子链相互作用对高分子链穿越的影响.     

中性/聚电解质高分子混合刷对蛋白质的吸附/解吸附

本文应用分子理论,研究中性(A)/聚电解质(B)高分子混合刷对蛋白质的吸附/解吸附特性.理论模型考虑蛋白质与中性高分子A的排斥、以及与聚电解质高分子B的静电吸引.研究发现,在pH=4～6、中性高分子A处于弱水合状态时,混合刷中A高分子链塌缩,B聚电解质链溶胀.由于蛋白质和B聚电解质链间的静电吸引,导致高分子混合刷对蛋白质的吸附.当A高分子水合性增强时,A高分子链溶胀,B聚电解质链塌缩.由于蛋白质与A高分子链间的排斥作用增强,与B聚电解质链间的静电吸引减弱,混合刷对蛋白质解吸附.     

中性/聚电解质高分子混合刷对蛋白质的吸附/解吸附

本文应用分子理论,研究中性(A)/聚电解质(B)高分子混合刷对蛋白质的吸附/解吸附特性.理论模型考虑蛋白质与中性高分子A的排斥、以及与聚电解质高分子B的静电吸引.研究发现,在pH=4～6、中性高分子A处于弱水合状态时,混合刷中A高分子链塌缩,B聚电解质链溶胀.由于蛋白质和B聚电解质链间的静电吸引,导致高分子混合刷对蛋白质的吸附.当A高分子水合性增强时,A高分子链溶胀,B聚电解质链塌缩.由于蛋白质与A高分子链间的排斥作用增强,与B聚电解质链间的静电吸引减弱,混合刷对蛋白质解吸附.     

基于自洽场理论两亲高分子自组装的研究

运用扩展的自洽场和密度泛函理论(SCF/DFT),研究ABC蝌蚪形两亲高分子在稀溶剂中的自组装形态,其中蝌蚪形两亲高分子由线形嵌段共聚物链AB嫁接到球形纳米颗粒C上构成.与以往研究的线形ABC两亲高分子相比,蝌蚪形两亲高分子的自组装形态有着很大的不同.在粒子亲溶剂,嵌段共聚物疏溶剂时,各组分间弱分凝条件下,蝌蚪形两亲高分子自组装成胶球状形貌;在强分凝条件下,随着嵌段共聚物疏溶剂性的增强,两亲高分子的自组织态由胶球状转变成四角、三角状形貌,其中嵌段B主要分布在各角上.通过改变各组分间的相互作用,在嵌段A亲溶剂,嵌段B和粒子疏溶剂时,粒子呈平行棒状或小方块状分布在胶球中.     

Translocation of Polymer Chains Through a Channel with Complex Geometries

采用nPERMis (new pruned-enriched rosenbluth method with importance sampling) 算法,研究了高分子链在通道中穿行的力学行为. 在管道穿行的过程中,计算了其作用力,发现进入中间通道的过程其对应的作用力f和第一个单体在x轴方向的位置关系曲线有一个平台(f>0). 由于高分子链的受限减少了高分子链的构象数目和熵,从而增加了其自由能, 因此只有在外力的作用下,高分子链才可以进入中间管道. 当高分子运动到某一位置后,第二个平台开始形成(f<0),这时高分子链自发进入右通道. 这是因为在右通道中高分子链的自由能降低的比左通道中高分子链的自由能升高的快. 右通道中的高分子链自发地拉动左通道中的高分子链. 研究了链长、左、右通道宽度对穿孔有很大影响. 通过这些研究可以详细解释各部分穿行时间不同的原因.     

氢气在多层球壳中扩散过程的模拟计算

 从Fick第二定律出发,推导了氢气在多层球壳中,扩散过程的浓度分布表达式,即氢气浓度与扩散时间和扩散距离的关系。每层中,在一定的扩散时间内,一定量的氢气的扩散浓度与扩散深度之间近似为抛物线关系,说明渗透物沿着聚合物链段膨胀的方向进行扩散。在同一位置,一定量氢气的浓度,随着时间的延长而增加,说明渗透物使聚合物链段发生膨胀,自由体积增大,扩散路径增多,扩散系数随着浓度的增加而增大。     

电场驱动下布朗粒子在周期管道内的运动

采用分子动力学方法模拟研究电场驱动下布朗粒子在周期管道内的运动. 管道由a和b两部分周期排 列而成, 其中a管道对粒子有吸引作用, b管道对粒子有纯排斥作用. 结果表明, 粒子迁移率随电场强度的变化存在 明显的跳变. 当电场强度比较小时, 迁移率趋于零, 布朗粒子在a管道区域存在明显的受限过程; 当电场强度比较大 时, 迁移率趋于1, 布朗粒子在管道内呈现近自由运动     

受限壁的选择性对软受限下星形三嵌段共聚物形貌的影响

基于嵌段共聚物在软受限条件下能够自组装形成很多有序结构,在催化、电子器件、光学传感等领域有广泛的应用价值,目前只对线性三嵌段共聚物在软受限下的自组装形貌做了分析,对星形三嵌段共聚物在软受限下的自组装行为还未有一个统一的定论.在这项研究中,应用模拟退火来研究ABC星形三嵌段共聚物在软受限下的自组装行为,嵌段与溶剂没有选择性下(中性壁),通过调整三个嵌段(f_A、f_B和f_C)的体积分数来构建相图,我们的模拟预测了各种独特的自组装纳米结构,包括薄片+球形、圆柱状,穿孔层,薄片+圆柱体,核壳补丁.然后通过改变嵌段与溶剂的选择性预测了链长度比为1:x:1的共聚物粒子形貌.通过计算接触数、均方根末端距与平均链长的比值以及平均键长随x的变化,验证了形貌转变机制.     

Effect of Interaction upon Translocation of Confined Polymer Chain Through Nanopore

运用二维的键长涨落模型和蒙特卡洛方法研究高分子链从一个受限空间到自由空间穿孔过程中,链单体与纳米孔之间的相互作用.结果表明,在不同的链长和纳米孔交互作用下,高分子链成功穿越自由能能垒取决于链长和纳米孔长度,并且由于交互作用降低了自由能能垒,导致高分子链在纳米管的平均捕获时间缩短.     

对苯二甲酸丁二酯-ε-己内酯多嵌段共聚物中硬链段的受限结晶

用差示扫描量热法（DSC）,广角X射线衍射（WAXD）,傅立叶变换红外光谱（FTIR）等技术研究了对苯二甲酸丁二酸－ε－己内酯多嵌段共聚物中硬链段的受限结晶。结果表明,PBT－PCL共聚酯中软硬链段在非晶区的混容性比较好,不同组成的样品均显示出一个玻璃化转变温度;对硬段含量超过50％的共聚物来说,硬链段可以结晶,而软链段不能结晶;由于硬链段的受限特点,BT硬链段的结晶受软链段的影响和制约,其结晶能力随硬段序列长度的增加而逐渐增大。     

微通道中高分子溶液Poiseuille流的耗散粒子动力学模拟

利用耗散粒子动力学(dissipative particle dynamics, DPD)方法模拟了微通道中高分子溶液的Poiseuille流动.研究表明, 微通道中的高分子溶液呈现非牛顿流体特性, 可以用幂律流体来描述流动行为, 高分子浓度越大, 幂律指数n 越小. 高分子链与壁面的流体动力学相互作用以及布朗扩散率梯度控制着高分子链的横向迁移. 由于传统的DPD方法中壁面诱导的流体动力学作用部分被屏蔽, 高分子链将向壁面方向迁移, 并且随着流场增强, 高分子链向壁面方向迁移越明显. 未被屏蔽的流体动力学相互作用和布朗扩散率梯度相互竞争, 使高分子链在微通道内的质心分布呈双峰状, 通道中心处高分子浓度出现局部最小值. 当通道宽度减小、强受限时, 壁面与高分子链间的流体动力学相互作用可能全部被屏蔽, 而布朗扩散运动弱, 高分子向壁面方向有微弱的迁移. 关键词： 耗散粒子动力学 高分子溶液 非牛顿流体 横向迁移     

高分子软物质动力学与NMR

高分子熔体或浓溶液中链段扩散和链的弛豫模式满足普适的物理定律,这些定律代表了高分子链动力学的普遍特征.核磁共振(NMR)则为我们直接验证这些物理定律或揭示高分子运动的基本规律提供了强有力的实验手段.本文介绍三个基本的高分子动力学模型(即Rouse模型,蛇行/管道模型和重整化Rouse模型)和以这三个理论模型为基础的NMR实验原理和技术.最后对相关的NMR实验结果进行了综述,并着重与理论模型所期待的结果进行了比较.     

单链DNA在受限环境中伸展的Monte Carlo模拟

将MonteCarlo方法和键长涨落算法相结合,模拟了受限于两平行平面间的单链DNA分子在外力作用下的伸展以及撤除外力以后弛豫的动力学过程,研究了受限程度对DNA分子的伸展长度及弛豫过程的影响.结果表明,随着受限程度的增加,DNA分子链的构象更加伸展,这主要是由于随着平面间距的减少,DNA分子不同链段之间流体力学相互作用将会被平面屏蔽所致,受限程度不同时DNA分子的弛豫过程进一步证实了这一点.DNA分子的伸展长度(即末端距)随着流速的变化关系与文献给出的实验结果及其对此所做的理论分析是基本一致的.     

高分子链在分子刷表面吸附的Monte Carlo模拟

用Monte Carlo方法模拟研究了一条自由高分子链在分子刷表面吸附的静态和动态特性.结果表明,随着自由链与分子刷之间吸附作用能(ε)的增大,自由链出现由脱吸附态到吸附态的相转变,同时链的扩散由正常模式转为亚扩散模式.临界吸附能(ε_C)几乎与自由链长度无关,但随着分子刷链长度的减小或分子刷链间距的增大而不断增大.在ε_C附近,自由链嵌入分子刷内部,同时链尺寸达到极小,而当ε?ε_C时,自由链处于强吸附态,链节主要分布于分子刷表层,同时整个吸附动态过程可分为自由链吸附和分子刷扩散两个阶段.     

蠕虫状链模型在高分子物理研究中的应用

蠕虫状链模型可以更好地描述非柔性高分子的空间链构象统计,因此被公认为是更加接近真实高分子的粗粒化高分子链模型.本文从蠕虫状链模型的物理特点出发,简单回顾了该模型在自洽场理论方法中的发展历程,着重从三个研究方向总结了近年来蠕虫状链模型在高分子物理研究中的应用:高分子液晶相结构及其转变的研究;几何表面对高分子体系的影响;蠕虫状嵌段共聚物自组装.最后,针对现有理论的发展现状,对未来基于该模型的场论模拟方法的发展方向提出了展望.     

A2B嵌段共聚物熔体的相分离

采用自洽场的方法对A2B共聚物熔体作了类似星形共聚物的处理，研究了该共聚物的相分离并给出了相图．与两嵌段共聚物的相图相比较而言，在A2B的相图中，只发现了三个经典的有序相：球状相、六角蜂窝形柱状相以及层状相．从两嵌段线形共聚物到Y形共聚物这一链结构上的变化使相图也发生了相应的改变：各相的相边界发生了很大的偏移并且层状相出现的区域被大大的拓宽了．因此，可以通过改变链的结构来控制高分子自组装的微相结构，从而代替传统的改变高分子链中各组分的比例．     

碳纳米管受限空间对共轭高分子聚(9,9-二辛基芴-2,7-二基)链段运动行为的影响

在纳米受限空间中,高分子往往会表现出与本体状态不同的性质,如异常的链段运动特性及晶相间转变行为等,这些性质对于研究和开发新型高分子材料具有重要的意义,因此针对受限环境下高分子的物理化学特性研究也一直是高分子界关注的焦点.本文通过化学气相沉积法制备垂直取向排列的多壁碳纳米管阵列,借助溶剂润湿–收缩法获得规整的高密度阵列结构,其取向排列的碳纳米管间隙形成了准一维的纳米受限空间,尺寸在5—50 nm尺度下可调.进一步将共轭高分子聚(9,9-二辛基芴-2,7-二基)(PFO)填充到碳管间隙的纳米空间中,制备PFO与取向多壁碳纳米管阵列复合膜.结果发现在碳纳米管形成的纳米受限空间中,PFO的链段热运动行为与本征态PFO薄膜相比受到了明显的抑制,不同晶型间转变速度大大减缓,提高了构象的热稳定性,同时取向排列的碳纳米管对PFO分子链取向排列分布具有明显的诱导作用,有利于获得高性能的PFO晶体.这种高密度取向排列的碳纳米管阵列结构未来可以用于制备优良发光性能及高稳定性的PFO光电器件.     

分子链缠结对核-壳结构复合凝胶非均匀变形行为的影响

凝胶分子形成凝胶网络时,分子链段间会相互缠绕形成物理交联,显著影响其力学行为.为研究凝胶分子链段间相互缠结形成的物理交联对核壳结构复合凝胶变形行为与溶剂分布的影响,基于slip-link链缠结模型和张量推导建立核壳结构复合凝胶变形过程的一般数学表达式.结果表明：受刚性核影响,凝胶壳的拉伸是各向异性的,凝胶壳内溶剂的分布也是非均匀的,由内向外呈非线性变化,溶剂在凝胶内的扩散不满足菲克扩散定律;分子链缠结度越高凝胶壳的径向和周向伸长比越低,凝胶的溶胀率也越低.     

Monte Carlo Study on Spontaneous Recoil of Confined DNA Chain

在外加电场作用下,长链DNA分子的一部分链段进入构象熵较小的受限区域,其余部分仍滞留在高熵区. 电场撤除后,位于受限区域的DNA链段将自发回弹到高熵区域. 采用键涨落算法对这一动力学过程进行了模拟研究. 链段的回弹速度逐渐增大,这与实验结果是一致的. 模拟结果揭显示,增加受限区域的障碍物的尺寸或缩小间距都会导致DNA链段回弹速度的增加. 进一步的分析表明链单元在受限区域内的有效熵正比于其在受限区所能到达部分占总受限区域面积的比例.     

氢及其同位素在聚苯乙烯与Cu界面的扩散

为了探索气体在固体表面高分子链中的扩散,使用分子动力学（MD）的方法,对H2,D2,T2在聚苯乙烯与金属铜（PS-Cu）界面的扩散进行了计算模拟,通过所得到气体的均方位移计算了气体在不同金属表面与聚苯乙烯界面中的扩散系数。结果显示:气体在界面的扩散系数比在聚苯乙烯本体中的扩散系数小,气体在PS-Cu(110)界面的扩散系数最大,在PS-Cu(111)界面的扩散系数最小。计算和分析了PS与金属表面的相互作用,发现其相互作用能越大,气体在此界面的扩散系数越小。同时,金属表面的晶面密度对气体在界面中的扩散也有一定的影响。