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纳米尺度含生物变形大分子流体动力特性的分子动力学研究

罗筱薇  
【摘要】: 近年来,微流技术发展迅猛催生出了一大批结构精巧,功能多样的微纳流体系统,对众多领域(如微电子、微机械、化学、医药、生命科学及环境检测等)带来了革命性的改变。这些微纳流体系统的设计与功能实施都与其内部流体传输特性密切相关。研究发现,由于系统部件尺寸缩小,相关的流体传输表现出了许多不同于传统宏观尺度的微观效应。其中,在生物用微纳流体机械中,由于往往需要输运聚合物变形大分子,其内部更表现出复杂的流体多尺度传输特性。为开发出高效紧凑的微纳流体系统,研究微纳米尺度上流体传输特性,特别是包含变形大分子运动情况下,流体系统复杂的多尺度效应至关重要。 针对这一实际工程需要,本论文采用分子动力学方法研究纳米尺度下流体的传输特性,特别引入聚合物大分子,系统模拟在小尺度上流体传输与生物分子的相互作用。本课题主要进行了以下几方面的研究工作: 本文首先运用该方法模拟纳米尺度上无聚合物变形大分子情况下的流体特性。这部分工作包含:运用平衡分子动力学方法模拟封闭于纳米流道中流体的静态特性,及运用运用非平衡分子动力学方法,模拟纳米通道中流体的动态特性。接着,我们运用分子动力学方法,研究各种情况下,变形大分子与流体传输的交互特性。首先,我们对大空间静止溶液中聚合物的动力变形特性进行数值模拟。然后,缩小模拟系统尺寸,将分子动力学模拟扩展到纳米尺度下,对受限于两块相互平行的壁面(亲水性/憎水性)静止流体中单个聚合链分子进行了模拟。在上述工作的基础上,我们进一步模拟了纳米通道中,流体流动与聚合物的相互耦合关系,从而对含变形大分子的流体系统静态动态特性有了较为系统的认识。模拟研究所取得的主要研究成果如下: ①壁面势能的存在导致了通道内流体的不均匀层状分布,通过调整纳米通道壁面势能作用强度可以获得不同结构的流体。通道宽度,系统平均数密度均不同程度上影响纳米通道内流体的不均匀分层现象。 ②速度滑移和温度阶跃现象很大程度上决定于壁面吸引力作用强度的大小。外力对通道内流体平均层密度分布影响不大,但对系统内的温度分布和速度分布有极为重要的影响。 ③对于大空间(非受限)溶液中聚合物,随着链长的增加,聚合链的伸展状况越好。溶剂粒子的存在增强了聚合链的团聚趋势。 ④壁面势能作用强度决定了通道内聚合单链的运动范围,吸引力越强,聚合链越容易紧紧吸附在壁面上。相同链长下壁面效应对聚合链回转半径的影响十分明显。随着聚合链链长的逐渐增大,其回转半径呈指数形式增长,端到端距离呈线性增长,聚合链更容易呈伸展状态。 ⑤聚合链在受外力作用后,更容易呈现伸展状态。当纳米通道宽度小于聚合链回转半径时,链分子在z方向受边界作用而沿壁面方向延展,并且通道宽度越小,链的伸展状况越明显。随着通道宽度的逐渐增大,聚合链向三维球状转变,并且团聚现象越来越明显。


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