复杂材料介观尺度的动力学模拟

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表面活性剂溶液和嵌段共聚高分子熔体是两类典型的复杂材料系统,能够形成不同尺度的复杂结构,在材料和生物等诸多领域具有广泛的应用前景。目前,单组分与混合型表面活性剂溶液的研究已经比较成熟,人们正逐渐将目光转向表面活性剂与聚合物的混合系统,特别是离子型表面活性剂与聚电解质在水溶液中的相互作用。在嵌段共聚高分子熔体方面,由于拓扑结构的简单性,线性两嵌段共聚高分子熔体微相分离行为的研究已经相当透彻,于是,线性三嵌段甚至多嵌段以及非线性两嵌段共聚高分子熔体正在逐渐成为研究者们关注的重点。基于此背景,本课题利用介观尺度上的计算机模拟方法对处于国际前沿领域的两大类复杂物系分别进行了研究。 首先,本文将粗粒化的模型应用于传统的分子动力学模拟方法中,从而研究了阴离子型聚电解质分别与阳离子型传统表面活性剂以及新型偶联表面活性剂在水溶液中的相互作用,观察系统中聚集体的动态形成过程。此外,本文利用定性的方式判断出其中的临界聚集浓度CAC远低于纯表面活性剂系统的临界胶束浓度CMC。通过分析比较,本文发现聚电解质与偶联表面活性剂的相互作用要比其与相应的传统表面活性剂强。在此基础上,本文又利用同样的模拟方法考察了阳离子型偶联表面活性剂的联接基团和疏水尾链的长度对其与阴离子型聚电解质相互作用的影响,结果表明增加任何一部分的长度都会使偶联表面活性剂与聚电解质的相互作用减弱,同时也会增强偶联表面活性剂发生自聚的倾向。这些模拟结果与相关的实验观测结果保持一致,并且表明了系统中两种物质间存在的静电与疏水作用是聚集体形成的主要驱动力。 之后,本文利用较为新兴的耗散粒子动力学介观模拟方法研究了星形以及接枝形两类非线性两嵌段共聚高分子熔体的微相分离行为,获得了有关的相图。结果表明,这两类系统在适当条件下能够形成一系列经典的整体有序介观形态。此外,在相图中的有序与无序区域之间还存在一些熔融态的过渡性结构。在接枝形高分子系统中,不同的整体有序介观形态相互转变的过程中还会形成一些局部有序微相分离结构,从而能够作为对相关理论与实验研究的一种补充,并且足以证明耗散粒子动力学模拟方法在研究嵌段共聚高分子微相分离形态的复杂动态形成过程方面有着相关理论方法所不可比拟的优势。通过比较,本文发现星形结构有利于两嵌段共聚高分子系统微相分离行为的发生,而接枝形结构则不利于微相分离行为的发生,这一点与相关的理论预测结果保持一致。两类高分子在熔体中的微观结构均与其各自的结构特点、内部组成以及不同链节间的相互作用强度等因素密切相关。
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