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基于自恰平均场方法研究嵌段共聚物自组装的计算机模拟

蒋滢  
【摘要】:嵌段共聚物是一类非常引人注目的高分子材料,它是我们所熟知的软物质大家庭的成员之一。它一般由两条或多条高分子链段经共价键相连而成,由于链段之间的不相容性,在本体和溶液体系中,将产生大量的微观有序结构。而这些微相结构可以应用于热塑橡胶、添加剂、和泡沫等材料的研究。同时,嵌段共聚物对于研究药物输运和光子晶体等高等材料也有着巨大的潜力。由于问题本身的复杂性以及实验的客观限制,人们也试图通过计算机模拟的方法来研究这些问题。计算机模拟不仅突破了实验和理论的限制,而且可以为研究者提供更多有价值的信息。本论文采用自恰平均场方法研究了嵌段共聚物在稀溶液中的自组装微相结构、多分散性对于囊泡形成的影响、多分散性对于线性三嵌段共聚物相图的影响和多分散性对于层状微相结构弹性模量的影响等问题,主要研究内容如下: 1.采用实空间自恰平均场理论在三维空间中研究了稀溶液中两亲性三嵌段共聚物的微相结构。模拟得到了复杂形态的胶束结构:如长条形囊泡、球形囊泡、三角形囊泡、项链形囊泡、环形胶束、环环相扣的网状胶束,而这些拟合结果得到了实验很好的印证。通过热力学分析,我们发现在一定的分子参数下,各种复杂的胶束结构在溶液中都是稳定的。同时它们的存在也强烈依赖于体系初始的浓度涨落,不同的涨落振幅也决定着不同的成核结构。同时我们对基本胶束结构,如球形囊泡和单环胶束的形成机理进行了探讨。 2.在实空间自恰场方法中引入Schulz函数描述体系的多分散性,来研究多分散性对于两亲性两嵌段共聚物在稀溶液中所形成囊泡结构的影响。模型中我们假定多分散性只体现在嵌段共聚物的某一链段上。当多分散性表现在亲水段时,我们的拟合结果显示,由于不同长度链段的分离,较小的多分散度将形成囊泡,而越大的多分散度指数将倾向于形成伪囊泡,甚至是胶束。较短的亲水链段倾向于占据A/B介面,而较长的亲水链段在囊泡的外壁侧伸展。同时在囊泡的内外两侧,不同链长的亲水段也有着不同的分离现象。这些拟合结果与Eisenberg等人的实验(Langmuir 19,5601,2003)有着很好的一致性。当多分散性表现在疏水段时,拟合结果也显示越大的多分散度指数倾向于形成伪囊泡,越长的疏水链


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