聚合物微觀和介觀及多尺度貫通的粒子模擬研究.pdf

1、本文利用分子動(dòng)力學(xué)(MD)和耗散粒子動(dòng)力學(xué)(DPD)方法對(duì)聚合物凝聚態(tài)微觀和介觀尺度的多尺度貫通進(jìn)行了模擬研究，并對(duì)兩親性嵌段共聚物在介觀尺度進(jìn)行了模擬研究。 首先，我們通過(guò)分子模擬方法研究了如何對(duì)聚合物進(jìn)行粗?；Ｐ湍M。通過(guò)MD模擬對(duì)聚丁二烯均聚物、聚苯乙烯—丁二烯嵌段共聚物進(jìn)行粗?；Ｐ湍M。通過(guò)對(duì)高分子鏈在全原子尺度進(jìn)行MD模擬，統(tǒng)計(jì)出各種分布函數(shù)，得到粗?；?chǎng)，建立粗?；Ｐ?，然后對(duì)粗?；Ｗ舆M(jìn)行MD模擬。最后我們統(tǒng)

2、計(jì)分析了描述高分子鏈特性的部分物理量，結(jié)果證明建立的粗?；Ｐ褪怯行У摹?考慮到聚合物分子鏈的復(fù)雜性，對(duì)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的聚合物進(jìn)行粗粒化模型模擬仍然存在著一定的困難。于是，通過(guò)結(jié)合MD和DPD兩種模擬方法，我們嘗試對(duì)聚(苯乙烯—異戊二烯)兩嵌段共聚物進(jìn)行了介觀尺度模擬研究。苯乙烯和異戊二烯單體分別被粗?；癁閮煞N不同類型的DPD粒子。苯乙烯和異戊二烯間的鍵合部分相互作用由全原子MD模擬得到的鍵長(zhǎng)和鍵角分布函數(shù)擬合得到；對(duì)于二者之間的非

3、鍵合部分相互作用，我們通過(guò)擬合這兩種聚合物實(shí)驗(yàn)測(cè)量的界面張力參數(shù)得到。由此得到對(duì)聚(苯乙烯—異戊二烯)兩嵌段共聚物進(jìn)行DPD介觀模擬需要的粗?；?chǎng)。采用該力場(chǎng)所得到的兩嵌段共聚物微相結(jié)構(gòu)與他人采用不同DPD模擬策略得到的結(jié)果一致，兩種方法彼此驗(yàn)證，證明其有效性。 兩親性嵌段共聚物在不同條件下可以自組裝形成不同形態(tài)的聚集體，是當(dāng)前研究的熱門(mén)領(lǐng)域之一。我們通過(guò)對(duì)兩親性三嵌段共聚物進(jìn)行DPD模擬，觀察并研究了其在稀溶液中自組裝形成環(huán)

4、狀膠束的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果的分析，我們發(fā)現(xiàn)形成環(huán)狀膠束有兩種不同的路徑。在模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上，我們提出了一種環(huán)狀膠束形成的機(jī)理，即降低膠束表面自由能，膠束頭和尾部融入膠束自身形成環(huán)狀膠束的機(jī)理。 我們通過(guò)對(duì)兩親性三嵌段聚合物進(jìn)行DPD模擬，得到了不同形狀的膜囊泡結(jié)構(gòu)，其中幾種在先前的實(shí)驗(yàn)和理論研究中被發(fā)現(xiàn)的囊泡結(jié)構(gòu)，如inverted囊泡、starfish—shaped囊泡、long rod—like囊泡及環(huán)狀囊泡結(jié)構(gòu)是我

5、們基于粒子模型模擬首次所觀察到的。接著我們把模擬得到的囊泡結(jié)構(gòu)與自發(fā)曲率理論模型的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)二者吻合較好。在此基礎(chǔ)上，我們又研究了聚合物囊泡的融合與分裂動(dòng)力學(xué)。我們觀察到了兩種不同的囊泡融合和分裂動(dòng)力學(xué)過(guò)程，這些過(guò)程有助于我們理解真實(shí)細(xì)胞膜的融合與分裂等變形過(guò)程。另外，我們也模擬了單組份囊泡的分裂動(dòng)力學(xué)并得到了與母親囊泡具有相同組分構(gòu)成的兩個(gè)分裂子囊泡。 本文的主要?jiǎng)?chuàng)新性工作如下： 1.目前，通過(guò)構(gòu)建粗粒化力場(chǎng)

6、模型對(duì)聚合物進(jìn)行多尺度貫通模擬仍主要集中在對(duì)均聚物體系的研究方面，我們提出了一種粗?；呗詫?shí)現(xiàn)了對(duì)嵌段共聚物體系的多尺度貫通模擬；考慮到聚合物分子的長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)特性，我們又以DPD模擬方法為紐帶，通過(guò)結(jié)合MD模擬方法，對(duì)嵌段共聚物進(jìn)行介觀模擬研究。 2.我們通過(guò)對(duì)兩親性嵌段共聚物的DPD模擬，觀察到其在稀溶液中自組裝形成環(huán)狀膠束的兩種不同的動(dòng)力學(xué)過(guò)程；在模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上，我們提出了一種環(huán)狀膠束形成的機(jī)理，即，降低膠束表面自由能，膠束