蠕蟲(chóng)鏈及聚電解質(zhì)高分子的計(jì)算機(jī)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(yīng)用。將真實(shí)復(fù)雜的長(zhǎng)鏈高分子簡(jiǎn)化為電荷中性的極端柔性的理想高斯鏈，是人們一直以來(lái)理解高分子相行為的理論基礎(chǔ)。然而，現(xiàn)實(shí)生活中的許多新型功能高分子無(wú)法用理想高斯鏈模型所描述。絕大多數(shù)生物大分子，如DNA，蛋白質(zhì)等，相對(duì)于理想高斯鏈模型，更適合用蠕蟲(chóng)鏈高分子模型和聚電解質(zhì)模型來(lái)描述。在非理想高斯鏈體系中，蠕蟲(chóng)鏈高分子和聚電解質(zhì)高分子體系具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)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(xué)發(fā)展的迫切需求，同時(shí)也是國(guó)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(chǎng)理論(SCFT)和耗散粒子動(dòng)力學(xué)(DPD)方法對(duì)蠕蟲(chóng)鏈高分子和聚電解質(zhì)鏈體系進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬研究。首先我們建立了超越高斯鏈模型的蠕蟲(chóng)鏈高分子自洽平均場(chǎng)理論和數(shù)值計(jì)算方法（包括有限差分方法和譜方法）?；诖巳湎x(chóng)鏈高分子模型的自洽平均場(chǎng)方法，我們分別研究了蠕蟲(chóng)鏈高分子刷以及長(zhǎng)鏈蠕蟲(chóng)鏈高分子

3、的吸附問(wèn)題。另外，為了更有效的處理聚電解質(zhì)體系中的長(zhǎng)程靜電相互作用，我們將非均勻介質(zhì)中泊松方程耦合到耗散粒子動(dòng)力學(xué)方法中，并使用迭代的方法極值化靜電場(chǎng)能量泛函方程，得到聚電解質(zhì)體系的靜電場(chǎng)分布以及聚電解質(zhì)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(dòng)力學(xué)方法研究了聚電解質(zhì)星型膠束的構(gòu)象行為問(wèn)題。我們還通過(guò)耗散粒子動(dòng)力學(xué)結(jié)合平均場(chǎng)理論研究了毛細(xì)血管內(nèi)壁接枝的糖萼纖維層在毛細(xì)血管流中的力學(xué)性質(zhì)和生物物理功能。
　　 在本文第

4、二章中，我們使用基于蠕蟲(chóng)鏈模型的自洽平均場(chǎng)方法研究了半柔半剛性高分子刷體系，通過(guò)調(diào)節(jié)高分子刷的約化鏈長(zhǎng)和約化接枝密度等參數(shù)，我們發(fā)現(xiàn)蠕蟲(chóng)鏈高分子刷的諸多物理量的標(biāo)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(jié)果在不同極限下與以往的理論和計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果能很好的吻合，同時(shí)也證明了我們的蠕蟲(chóng)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(chóng)鏈模型的自洽平均場(chǎng)方法，我們研究了長(zhǎng)鏈蠕蟲(chóng)鏈高分子在平

5、板附近的吸附問(wèn)題，我們計(jì)算得到了吸附的相圖，并通過(guò)研究吸附臨界點(diǎn)附近體系的標(biāo)度性質(zhì)，得到了吸附體系的相變性質(zhì)。我們的結(jié)果顯示，當(dāng)吸附勢(shì)阱寬度W》α（α為Kuhn長(zhǎng)度）時(shí)，吸附相變有明顯的二級(jí)連續(xù)相變特征，而當(dāng)W《α?xí)r，二級(jí)連續(xù)相變逐漸向一級(jí)不連續(xù)相變靠近,在W=0時(shí)，吸附相變?yōu)橐患?jí)相變。
　　 在本文的第四章中，我們從場(chǎng)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(chǎng)分布。我們將此方法耦合到耗散粒子動(dòng)力學(xué)模擬中，并研究

6、了聚電解質(zhì)星型膠束在無(wú)鹽溶液中的構(gòu)象行為，我們發(fā)現(xiàn)，反離子的價(jià)態(tài)及體系的靜電作用強(qiáng)度對(duì)膠束的構(gòu)象行為起決定性作用，當(dāng)溶液中只有單價(jià)反離子時(shí)，體系構(gòu)象行為能很好的用球型聚電解質(zhì)高分子刷的標(biāo)度理論來(lái)描述，而當(dāng)溶液中存在二價(jià)或者高價(jià)反離子時(shí)，體系明顯偏離標(biāo)度理論，在靜電作用較強(qiáng)時(shí)，甚至出現(xiàn)反離子凝聚現(xiàn)象，導(dǎo)致聚電解質(zhì)膠束發(fā)生塌縮。
　　 最后，在本文的第五章中，我們建立了毛細(xì)血管內(nèi)壁的糖萼纖維層的半柔半剛性高分子模型，并通過(guò)耗散粒子動(dòng)