线型高分子在纳米颗粒的受限环境中的静态和动力学特性

【摘要】：受限条件下高分子链的静态与动态性质随受限程度和受限条件的不同而表现出一系列独特的规律性,是软凝聚态物理学、高分子物理、生物物理的一个重要研究方向。其中,高分子和纳米粒子的混合物在许多领域具有重要的科学和技术意义,例如胶体或纳米粒子的悬浮高分子、细胞内的蛋白质和生物高分子、纳米颗粒填充高分子形成的高分子纳米复合材料等。由于纳米颗粒与高分子的相互作用,高分子的玻璃化转变温度、结晶行为、力学性质等的物理性质与本体存在很大的差别。高分子纳米复合材料将无机材料的刚性、尺寸稳定性和热稳定性与高分子材料的弹性、可加工性完美地结合起来,已成为获得高性能复合材料的重要方法之一。另外,高分子链通过纳米孔的移位现象广泛存在于各种生命过程,对移位现象的研究在DNA测序、分子分离、结构研究等方面有潜在的应用价值。本论文采用分子动力学模拟方法研究了低浓度可运动的纳米粒子环境中的高分子链和随机分布的不可移动的纳米粒子环境中的半刚性高分子链的静态与动态性质,以及影响高分子通过排斥性纳米孔的移位时间的因素。模拟采用粗粒化珠簧高分子模型,并考虑了高分子与纳米颗粒、高分子与纳米孔之间的Lennard-Jones相互作用。论文共分为五章,第一章概述了受限环境中的高分子、高分子的布朗运动和异常扩散、高分子的统计和动力学特性以及高分子纳米复合材料。第二章详细介绍了采用的高分子模型和模拟方法。第三到五章分别介绍了主要的模拟结果:低浓度可运动纳米颗粒环境中的高分子链,随机分布的不可移动的纳米颗粒环境中的半刚性高分子,以及高分子通过排斥性纳米孔的移位时间对温度的依赖。研究的主要结果如下:(1)在低浓度可运动纳米粒子环境中,随着高分子-纳米颗粒间相互作用的增大,高分子链发生从伸展的无规线团到紧凑的液滴的塌缩相变,这是一种由于纳米颗粒的吸引导致了高分子和纳米粒子间的接触增加而引发的相变。不论纳米粒子的尺寸和浓度以及相互作用的强度如何变化,都能观察到高分子的正常扩散现象。结果表明,高分子的正常扩散与高分子的状态无关,但扩散系数随高分子-纳米颗粒间相互作用的增大而减小。(2)在随机分布的不可移动的纳米颗粒的拥挤环境中,半刚性高分子链的静态和动态性质与链的刚度(kθ),高分子-纳米颗粒间相互作用强度(εPN),以及纳米粒子的浓度(CNP)有关。模拟表明,高分子链的均方回转半径(RG2)可以增加、减少或不变。对全柔的高分子链(kθ=0),RG2随εPN和CNP非单调变化。而对半刚性高分子链(kθ= 10,且持久长度大于纳米粒子平均间距),RG2随εPN和CNP的增加而单调递减或保持不变,表明了高分子被纳米粒子软化。此外,纳米粒子阻碍了高分子的平动扩散和旋转。对全柔性的高分子链以及εPN足够大时的半刚性链都观察到了亚扩散行为。纳米粒子对全柔性高分子的平动扩散的影响更为明显,因为全柔性链中有更多的单体与纳米粒子接触。另一方面,高分子链的旋转弛豫时间τR随εPN或CNP增加而增大,但纳米粒子对半刚性高分子的影响更明显,因为它与更多的纳米粒子接触。(3)高分子链经纳米孔移位的平均移位时间τ高度依赖于温度T,且最小的τ出现在高分子塌缩相变(从高温的扩展无规态到低温的紧凑液滴态)的温度附近。移位时间对链长和驱动力的标度行为τ～Nα以及τ～F-δ(N是链长,F是高分子在孔内受到的驱动力)也与高分子的状态有关:在扩展无规态下有普适的指数α =1.4及δ = 0.85;在致密液滴态下,对短链高分子,α从弱驱动的α = 2降到强驱动的1.2,驱动力较小时,δ随T的增大而减小,但对长链和强驱动,仍能得到普适的指数α = 1.6和δ = 0.85。模拟结果表明,在控制高分子链的移位时间方面,高分子的构象性质非常重要。