模擬研究聚合物在受限環(huán)境中的自組裝結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì).pdf

1、聚合物在受限環(huán)境中的自組裝結(jié)構(gòu)及動(dòng)力學(xué)行為是軟物質(zhì)領(lǐng)域的兩個(gè)重要研究方向。由于施限體對(duì)聚合物的空間限制及相互作用，使得聚合物表現(xiàn)出與本體完全不同的行為，因此人們可以通過(guò)對(duì)聚合物施限獲得本體無(wú)法得到的納米結(jié)構(gòu)。聚合物在受限環(huán)境中的實(shí)驗(yàn)研究較為困難，且難以分析實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的一些動(dòng)力學(xué)變化。計(jì)算機(jī)模擬能夠有效地為實(shí)驗(yàn)研究提供一定的理論指導(dǎo)。本文采用計(jì)算機(jī)模擬方法研究受限環(huán)境中的聚合物，研究?jī)?nèi)容主要包括以下兩部分:
　　(1)采用耗散粒子動(dòng)

2、力學(xué)方法模擬研究rod-coil兩嵌段共聚物在納米管中的自組裝結(jié)構(gòu)。考察了納米管的性質(zhì)、管徑、剛性嵌段的剛性度及剛性嵌段長(zhǎng)度等因素對(duì)自組裝結(jié)構(gòu)的影響，獲得了R6C6兩嵌段共聚物的組裝結(jié)構(gòu)隨管壁性質(zhì)和管徑變化的相圖。
　　在非選擇性和弱選擇性納米管中，我們觀察到堆疊層、單螺旋和雙螺旋。在強(qiáng)選擇性納米管中，隨著管徑的增加，柔性嵌段在納米管內(nèi)部組裝成堆疊層、柱、zigzag(ZZ)、并進(jìn)一步演化成鎖鏈、波紋管和螺旋管等多種新穎的有序結(jié)構(gòu)

3、。我們發(fā)現(xiàn)ZZ結(jié)構(gòu)是后續(xù)結(jié)構(gòu)的組裝單元，為此我們分析了ZZ結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)形成過(guò)程，發(fā)現(xiàn)柔性嵌段形成的ZZ結(jié)構(gòu)主要是由于強(qiáng)選擇性壁面的吸引，使得剛性嵌段向壁面移動(dòng)，并在壁面附近聚集組裝。
　　最后，我們獲得了組裝結(jié)構(gòu)隨鏈長(zhǎng)和管徑變化的相圖，我們的模擬結(jié)果表明剛性嵌段的剛性度、管壁對(duì)嵌段的選擇性、及管徑與本體周期的不匹配的協(xié)同作用導(dǎo)致各種自組裝結(jié)構(gòu)的形成。
　　(2)采用粗?；肿觿?dòng)力學(xué)方法模擬研究均聚物在平面狹縫中的構(gòu)象及動(dòng)力學(xué)

4、性質(zhì)。主要考察了均聚物的鏈長(zhǎng)、濃度和狹縫厚度的影響，分析了聚合物在溶液中和狹縫中的差異。
　　隨著狹縫厚度的降低，聚合物鏈經(jīng)歷了從本體的柔性線團(tuán)，先壓縮后拉伸的變化趨勢(shì)，聚合物鏈的均方回轉(zhuǎn)半徑先下降后升高。聚合物的濃度越小，拉伸趨勢(shì)越明顯。相反，聚合物的濃度越大，壓縮趨勢(shì)越明顯。
　　通過(guò)計(jì)算鏈的自擴(kuò)散系數(shù)DXY和弛豫時(shí)間τ，我們發(fā)現(xiàn)鏈長(zhǎng)N＜80的均聚物鏈為非纏結(jié)鏈，符合Rouse動(dòng)力學(xué)模型，當(dāng)鏈長(zhǎng)N＞80時(shí)，均聚物可視為為

5、纏結(jié)鏈，屬于Reptation動(dòng)力學(xué)模型。
　　對(duì)于非纏結(jié)鏈，當(dāng)濃度較小時(shí)，隨著鏈長(zhǎng)和濃度的增加，以及狹縫厚度的降低，DXY先下降后上升，τ增加，表明空間限制促進(jìn)聚合物鏈沿水平方向的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)濃度較大時(shí)，DXY單調(diào)下降，τ增加，表現(xiàn)為空間限制及鏈相互作用對(duì)聚合物運(yùn)動(dòng)的抑制。對(duì)于纏結(jié)鏈，低濃度下與非纏結(jié)鏈表現(xiàn)一致;高濃度時(shí)，隨著鏈長(zhǎng)和濃度的增加，以及狹縫厚度的降低，DXY經(jīng)歷了先上升后下降，τ經(jīng)歷了先下降后上升的變化，主要表現(xiàn)為空間限