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半刚性及打结高分子链在受限和流场环境下的构象及其动力学行为研究

作　者: 温晓会
导　师: 章林溪
学　校: 浙江大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 分子动力学方法纳米棒弹性球壳自组装半刚性链迁移行为打结高分子链相转变穿孔
分类号: O631
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

近些年,高分子的集聚行为以及在流场环境中的构象和迁移行为,还有打结高分子的特性引起了科研工作者的极大兴趣。计算机模拟结果可以有效的反映高分子的特性,并能有效地监测其中间过程。所以计算机模拟显然成为研究高分子特性的重要的必不可少的手段。本文采用计算机模拟方法研究了纳米棒在球壳表面的自组装行为、高分子链在泊松流场的构象和迁移行为以及打结高分子链的相变特性和穿孔动力学过程。这些研究有助于我们进一步加深对高分子结构和特性的认识。在本文二章里,基于分子动力学(MD)模拟方法,研究了纳米棒在软球壳的自组装行为。被吸附纳米棒的自组装结构不仅取决于软球表面的吸附能,还取决于纳米棒的长度。对于短纳米棒,在低的球表面弯曲能下,集聚体由围绕着突起的规则五边形构成,随着表面弯曲能的增加,这种有序结构被逐渐破坏。同时,随着吸附能的增加,纳米棒在球壳表面的吸附能力降低。对于长纳米棒,在低的或者适度的球表面弯曲能下,吸附能会引起纳米棒在球壳集聚成团簇,各个团簇由几条平行的长纳米棒构成。但是,在高的球表面弯曲能下,这种长棒的自组装结构消失了,这是因为一个接近刚性的球表面是各向同性的。同时,纳米棒吸附在球表面又能影响到软球壳的形状。在本文第三章中,采用分子动力学方法(MD)和多粒子碰撞动力学方法(MPCD).研究了泊松流场对受限在两个无限大平行平板间的半刚性高分子链的结构和迁移现象的作用。在低的剪切流速下,半刚性链在平行于无限大平板的平面保持半刚性结构。在高的剪切速率下,半刚性链沿流场的方向伸展,并且考虑到聚合物和溶剂分子之间的流体力学相互作用,半刚性链发生了偏离两个平板的迁移现象。这些结果将与柔性链进行比较。在本文第四章中,聚乙烯打结链的相行为是用分子动力学方法来研究的。我们聚焦于聚乙烯打结环形链的坍塌,并且列出了线性连和环形链的结果作为对比。在高温下,可以观察到一个完全伸展的打结结构。每个键的均方回转半径<Sr>/(Nb2)和形状因子(δ*>不仅仅取决于链的长度,而且取决于结的类型。随着温度升高,可以观察到链的坍塌,且坍塌温度随着链长逐渐增加而下降。实际的坍塌转变温度可以通过特定的热容Cv来确定,且打结环形链经历了一个类似于“气态到液态再到固态”的相转变。打结环形链的相转变仅仅只有一步坍塌,这个结果是不同于聚乙烯线性和环形链的。本文第五章以三叶草型结(即31结)为例,采用分子动力学(MD)方法,研究打结高分子链在外场力作用下穿越微孔的动力学过程。模拟发现,在拉动打结高分子链的过程中,结的大小呈涨落变化,直至最后散结。定性讨论了结的存在对高分子链穿孔速率的影响。在外场力作用下,打结高分子链的平均穿孔时间(τ)与链长(N)满足标度关系τ～Nα,其中标度系数α随外场力f增大而增大。对于短链,外场力越大,平均穿孔时间越短；而对于较长的链,外场力越大,平均穿孔时间反而越长。此外,结在高分子链中所处的位置对平均穿孔时间也有影响。结点位置不同,高分子链的平均穿孔时间不同。初始时,结越靠近第一个穿孔原子,其平均穿孔时间就越长。

全文目录

致谢  6-7
摘要  7-9
Abstract  9-11
目录  11-13
1 绪论  13-35
  1.1 高分子科学的产生与发展前景  13-15
  1.2 高分子的结构  15-22
    1.2.1 高分子的一级结构  15-18
    1.2.2 高分子的二级结构  18-19
    1.2.3 高分子的三级结构  19
    1.2.4 本文重点研究的两种结构  19-22
  1.3 计算机模拟  22-30
    1.3.1 蒙特卡罗(Monte Carlo)方法  23-25
    1.3.2 分子动力学方法  25-28
    1.3.3 LAMMPS软件模拟  28-30
  1.4 本文的研究内容和意义  30-33
  参考文献  33-35
2 纳米棒在软球壳表面的自组装  35-54
  2.1 概述  35-36
  2.2 模型与计算方法  36-37
  2.3 结果和讨论  37-49
    2.3.1 吸附纳米棒引起的软弹性球壳的形变  37-39
    2.3.2 短纳米棒在软弹性球壳的集聚  39-44
    2.3.3 长纳米棒在弹性球壳的集聚  44-49
  2.4 结论  49-51
  参考文献  51-54
3 受限半刚性聚合物在泊松流场下的结构和迁移行为  54-75
  3.1 引言  54-55
  3.2 模拟细节  55-58
  3.3 结果和讨论  58-72
    3.3.1 泊松流场下半刚性链的局部非伸展性  58-67
    3.3.2 半刚性链的迁移行为  67-72
  3.4 结论  72-73
  参考文献  73-75
4 聚乙烯打结环形链的相变行为  75-91
  4.1 引言  75-76
  4.2 模型和模拟细节  76-79
  4.3 结果和讨论  79-88
    4.3.1 打结环形链的链维度  79-83
    4.3.2 打结环形链的坍塌  83-88
  4.4 结论  88-89
  参考文献  89-91
5 打结高分子链穿孔行为的研究  91-103
  5.1 引言  91-92
  5.2 模型和算法  92-94
  5.3 结果与讨论  94-100
    5.3.1 拉动过程中结点大小的变化  94-97
    5.3.2 外场力对打结商分子链穿孔过程的影响  97-98
    5.3.3 结点处于不同位置对标度行为的影响  98-100
  5.4 结论  100-101
  参考文献  101-103
6 总结论  103-107
博士期间发表的论文  107

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