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链刚度对高分子链的构象和动力学的影响的计算机模拟研究

姚元根  
【摘要】:软物质物理是当前国际凝聚态物理研究热点之一。软物质研究的重要性不仅在于将凝聚态物理学基础研究推进到更加复杂、更加丰富多彩的领域,而且因为软物质与人们日常生活和工业关系密切,所以具有特别重要的应用前景。 本文通过高分子链的珠——簧模型中引入WCA势、弯曲势和FENE势来分别模拟排除体积相互作用、链刚度和链连接,用Langevin动力学方法来模拟高分子链在稀良溶液中的运动,研究了高分子链刚度对高分子链的构象和动力学的影响。主要研究成果如下: 首先,分别研究了链刚度对均方根末端距、转动松弛时间和质心扩散系数这三个标度律的影响。模拟结果发现:随着链刚度的增加,这三个量的标度指数几乎都保持不变且与Rouse模型预测结果一致,而前因子却逐渐增加,但是增加渐趋于缓慢,最后前因子都达到“饱和”,链刚度确实不影响高分子链的宏观性质,而仅能改变其微观结构。 其次,研究了链刚度对键自关联函数和链持续长度的影响。模拟结果发现:随着链刚度逐渐增加,键自关联函数曲线变得逐渐平缓,当链刚度超过一定程度之后,所有的曲线几乎完全重合。此外,随着链刚度逐渐增加,链持续长度先快速地增加,然后出现一个“平台区”,且“平台区”对应的持续长度值与理论预测一致。这些现象表明:链刚度的增加增大了键的关联长度和链的持续长度。但是链刚度的影响是有限的,仅能改变链的微观结构。 最后,研究了链刚度对静态结构因子和对关联函数的影响。模拟结果发现:链刚度的增加减小了在第一个与第二个、第二个与第三个邻居壳之间找到另外一个“单体”的概率。同时,静态结构因子的行为随着链刚度的增加发生从柔性链特征向刚杆特征转变。静态结构因子和对关联函数是直接反映微观结构的两个物理量,通过对它们的观察,进一步证实:链刚度确实对高分子链微观结构产生较大的影响。


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