非平衡軟物質(zhì)體系中流體力學(xué)效應(yīng)的理論研究.pdf

1、隨著科學(xué)研究前沿向生命和納米體系的深入，介觀軟物質(zhì)體系，如膠粒與高分子溶液等復(fù)雜流體系統(tǒng)，越來(lái)越受到人們的普遍關(guān)注。一方面，構(gòu)成體系的單元常具有非常復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)和功能，可以產(chǎn)生豐富的動(dòng)力學(xué)行為，比如膠粒結(jié)晶與熔化、高分子溶液剪切變稀等。這些動(dòng)力學(xué)行為往往很難用簡(jiǎn)單解析理論來(lái)研究，高性能模擬計(jì)算因此在軟物質(zhì)研究領(lǐng)域中扮演著重要角色。另一方面，這些動(dòng)力學(xué)行為常涉及到介觀尺度（幾納米至幾百微米），宏觀尺度的連續(xù)性方程忽略了環(huán)境漲落等因素的影

2、響無(wú)法精確描述體系動(dòng)力學(xué)行為，而微觀尺度的分子動(dòng)力學(xué)過(guò)多考慮了微觀細(xì)節(jié)導(dǎo)致模擬耗時(shí)，為此尋求簡(jiǎn)單高效的介觀多尺度模擬方法就顯得格外重要。實(shí)際上，軟物質(zhì)體系常常具有復(fù)雜的溶劑環(huán)境，除了微觀的熱漲落導(dǎo)致的Brownian運(yùn)動(dòng)外，粒子之間還會(huì)存在著長(zhǎng)程流體力學(xué)作用（HI）。近年來(lái)，大量研究表明流體力學(xué)效應(yīng)在軟物質(zhì)體系的動(dòng)力學(xué)過(guò)程中起到了非常重要的作用，已成為物理化學(xué)和非平衡統(tǒng)計(jì)物理等多學(xué)科領(lǐng)域的交叉前沿問(wèn)題。
　　本文采用新近發(fā)展的多粒

3、子碰撞動(dòng)力學(xué)模擬方法，以膠粒和高分子為主要對(duì)象，考察了流體力學(xué)效應(yīng)對(duì)膠粒結(jié)晶和納米粒子在高分子溶液中的擴(kuò)散的影響。具體內(nèi)容主要包括以下兩個(gè)部分:
　　1.二維活性與非活性軟膠粒結(jié)晶過(guò)程中流體力學(xué)效應(yīng)
　　這部分主要探討了流體力學(xué)效應(yīng)對(duì)于二維活性與非活性軟膠粒體系的結(jié)構(gòu)、動(dòng)力學(xué)演化以及相變行為的影響。研究表明，對(duì)于非活性體系而言，即體系處于無(wú)外界驅(qū)動(dòng)的平衡態(tài)，流體力學(xué)對(duì)于體系的結(jié)晶轉(zhuǎn)變點(diǎn)有輕微的影響，稍有利于體系結(jié)晶。進(jìn)一步研

4、究發(fā)現(xiàn)，平衡膠粒體系的靜態(tài)微觀結(jié)構(gòu)在有無(wú)流體效應(yīng)的情況下均相同，這說(shuō)明流體效應(yīng)并不影響它們最終的平衡態(tài)結(jié)構(gòu)。但是通過(guò)計(jì)算自散射函數(shù)，看到流體效應(yīng)卻影響著體系的動(dòng)力學(xué)演化，使體系弛豫到平衡終態(tài)的時(shí)間變短，有利于體系弛豫。對(duì)于活性體系而言，即體系處于有外界驅(qū)動(dòng)的非平衡態(tài)時(shí)，流體效應(yīng)使得膠粒體系的結(jié)晶密度變大，這表明考慮流體效應(yīng)的體系更不易發(fā)生結(jié)晶轉(zhuǎn)變。另外，這種非平衡體系的微觀結(jié)構(gòu)在有無(wú)流體效應(yīng)的條件下存在顯著差異，流體效應(yīng)使得體系的結(jié)構(gòu)不

5、均勻性增加，這一點(diǎn)與平衡的膠粒體系有明顯區(qū)別。同樣，對(duì)于活性膠粒體系，發(fā)現(xiàn)流體效應(yīng)也會(huì)加速體系弛豫到非平衡的定態(tài)。
　　2.納米粒子在亞濃高分子溶液中的擴(kuò)散問(wèn)題
　　本部分利用混合的多粒子碰撞動(dòng)力學(xué)方法研究了亞濃區(qū)域高分子溶液性質(zhì)以及納米粒子在其中的擴(kuò)散問(wèn)題。多粒子碰撞動(dòng)力學(xué)結(jié)合粗?；肿觿?dòng)力學(xué)的模擬方法可以很好的模擬高分子溶液的基本靜態(tài)性質(zhì)尤其基本標(biāo)度性質(zhì)，這與理論給出的關(guān)系完全一致。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行納米粒子在高分子溶液中

6、的擴(kuò)散性質(zhì)的探究。大量的模擬結(jié)果表明，納米粒子的擴(kuò)散行為受到高分子片段之間的流體力學(xué)效應(yīng)的嚴(yán)重影響。首先，在亞濃溶液中納米粒子的擴(kuò)散由于流體力學(xué)效應(yīng)而得到增強(qiáng)。其次，流體效應(yīng)在納米粒子的擴(kuò)散系數(shù)與溶液濃度的標(biāo)度性質(zhì)也起到了重要作用。具體說(shuō)來(lái)，當(dāng)我們考慮到流體力學(xué)相互作用之后，兩者的依賴關(guān)系滿足Phillies公式，即延展指數(shù)函數(shù)形式，擬合出來(lái)的指數(shù)與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)值基本一致。而不考慮流體效應(yīng)的體系，利用這個(gè)公式擬合出來(lái)的指數(shù)卻不太理想，與實(shí)驗(yàn)