聚合物微觀和介觀及多尺度貫通的粒子模擬研究.pdf

1、本文利用分子動力學(xué)(MD)和耗散粒子動力學(xué)(DPD)方法對聚合物凝聚態(tài)微觀和介觀尺度的多尺度貫通進行了模擬研究，并對兩親性嵌段共聚物在介觀尺度進行了模擬研究。 首先，我們通過分子模擬方法研究了如何對聚合物進行粗?；Ｐ湍M。通過MD模擬對聚丁二烯均聚物、聚苯乙烯—丁二烯嵌段共聚物進行粗?；Ｐ湍M。通過對高分子鏈在全原子尺度進行MD模擬，統(tǒng)計出各種分布函數(shù)，得到粗粒化力場，建立粗?；Ｐ?，然后對粗?；Ｗ舆M行MD模擬。最后我們統(tǒng)

2、計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?。 考慮到聚合物分子鏈的復(fù)雜性，對結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的聚合物進行粗?；Ｐ湍M仍然存在著一定的困難。于是，通過結(jié)合MD和DPD兩種模擬方法，我們嘗試對聚(苯乙烯—異戊二烯)兩嵌段共聚物進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模擬得到的鍵長和鍵角分布函數(shù)擬合得到；對于二者之間的非

3、鍵合部分相互作用，我們通過擬合這兩種聚合物實驗測量的界面張力參數(shù)得到。由此得到對聚(苯乙烯—異戊二烯)兩嵌段共聚物進行DPD介觀模擬需要的粗粒化力場。采用該力場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)前研究的熱門領(lǐng)域之一。我們通過對兩親性三嵌段共聚物進行DPD模擬，觀察并研究了其在稀溶液中自組裝形成環(huán)

4、狀膠束的動力學(xué)過程。通過對模擬結(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)狀膠束的機理。 我們通過對兩親性三嵌段聚合物進行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驗和理論研究中被發(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)果進行了對比，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力學(xué)。我們觀察到了兩種不同的囊泡融合和分裂動力學(xué)過程，這些過程有助于我們理解真實細(xì)胞膜的融合與分裂等變形過程。另外，我們也模擬了單組份囊泡的分裂動力學(xué)并得到了與母親囊泡具有相同組分構(gòu)成的兩個分裂子囊泡。 本文的主要創(chuàng)新性工作如下： 1.目前，通過構(gòu)建粗粒化力場

6、模型對聚合物進行多尺度貫通模擬仍主要集中在對均聚物體系的研究方面，我們提出了一種粗粒化策略實現(xiàn)了對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鏈結(jié)構(gòu)特性，我們又以DPD模擬方法為紐帶，通過結(jié)合MD模擬方法，對嵌段共聚物進行介觀模擬研究。 2.我們通過對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力學(xué)過程；在模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上，我們提出了一種環(huán)狀膠束形成的機理，即，降低膠束表面自由能，膠束