蠕蟲鏈及聚電解質高分子的計算機模擬研究.pdf

1、高分子材料的發(fā)展依賴于高分子理論的建立、發(fā)展與應用。將真實復雜的長鏈高分子簡化為電荷中性的極端柔性的理想高斯鏈，是人們一直以來理解高分子相行為的理論基礎。然而，現(xiàn)實生活中的許多新型功能高分子無法用理想高斯鏈模型所描述。絕大多數生物大分子，如DNA，蛋白質等，相對于理想高斯鏈模型，更適合用蠕蟲鏈高分子模型和聚電解質模型來描述。在非理想高斯鏈體系中，蠕蟲鏈高分子和聚電解質高分子體系具有重要的科學意義和應用價值。因此，建立和發(fā)展能“超越”理想

2、高斯鏈模型的非理想鏈高分子模型的理論與模擬方法成為高分子科學發(fā)展的迫切需求，同時也是國際上高分子凝聚態(tài)物理的重要前沿方向之一。在本論文中我們利用自洽平均場理論(SCFT)和耗散粒子動力學(DPD)方法對蠕蟲鏈高分子和聚電解質鏈體系進行了計算機模擬研究。首先我們建立了超越高斯鏈模型的蠕蟲鏈高分子自洽平均場理論和數值計算方法（包括有限差分方法和譜方法）。基于此蠕蟲鏈高分子模型的自洽平均場方法，我們分別研究了蠕蟲鏈高分子刷以及長鏈蠕蟲鏈高分子

3、的吸附問題。另外，為了更有效的處理聚電解質體系中的長程靜電相互作用，我們將非均勻介質中泊松方程耦合到耗散粒子動力學方法中，并使用迭代的方法極值化靜電場能量泛函方程，得到聚電解質體系的靜電場分布以及聚電解質鏈節(jié)之間的靜電相互作用。利用此方法，我們采用耗散粒子動力學方法研究了聚電解質星型膠束的構象行為問題。我們還通過耗散粒子動力學結合平均場理論研究了毛細血管內壁接枝的糖萼纖維層在毛細血管流中的力學性質和生物物理功能。
　　 在本文第

4、二章中，我們使用基于蠕蟲鏈模型的自洽平均場方法研究了半柔半剛性高分子刷體系，通過調節(jié)高分子刷的約化鏈長和約化接枝密度等參數，我們發(fā)現(xiàn)蠕蟲鏈高分子刷的諸多物理量的標度率（例如：高分子刷的高度，平均厚度，方向序參量以及體系的自由能等），我們的結果在不同極限下與以往的理論和計算機模擬結果能很好的吻合，同時也證明了我們的蠕蟲鏈模型在描述高分子體系的有效性。接著，在本文的第三章中，同樣基于蠕蟲鏈模型的自洽平均場方法，我們研究了長鏈蠕蟲鏈高分子在平

5、板附近的吸附問題，我們計算得到了吸附的相圖，并通過研究吸附臨界點附近體系的標度性質，得到了吸附體系的相變性質。我們的結果顯示，當吸附勢阱寬度W》α（α為Kuhn長度）時，吸附相變有明顯的二級連續(xù)相變特征，而當W《α時，二級連續(xù)相變逐漸向一級不連續(xù)相變靠近,在W=0時，吸附相變?yōu)橐患壪嘧儭?br>　　 在本文的第四章中，我們從場論的思維出發(fā)，引入帶電粒子的電荷分布模型，并求解體系靜電場分布。我們將此方法耦合到耗散粒子動力學模擬中，并研究

6、了聚電解質星型膠束在無鹽溶液中的構象行為，我們發(fā)現(xiàn)，反離子的價態(tài)及體系的靜電作用強度對膠束的構象行為起決定性作用，當溶液中只有單價反離子時，體系構象行為能很好的用球型聚電解質高分子刷的標度理論來描述，而當溶液中存在二價或者高價反離子時，體系明顯偏離標度理論，在靜電作用較強時，甚至出現(xiàn)反離子凝聚現(xiàn)象，導致聚電解質膠束發(fā)生塌縮。
　　 最后，在本文的第五章中，我們建立了毛細血管內壁的糖萼纖維層的半柔半剛性高分子模型，并通過耗散粒子動