链分子在受限空间中吸附的分子模拟和密度泛函理论

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吸附问题自古以来就与人们的日常生活息息相关。自从Sheele于1773年首次对木炭吸附气体的现象进行观察后,人们对吸附的研究己持续了两个多世纪。然而,吸附现象的内容包罗万千,本文主要关注高分子在固液界面的吸附。这是一个相当复杂的过程,其中除了存在溶剂分子与高分子、吸附剂表面与高分子、吸附剂与溶剂分子等相互作用外,还存在吸附的物理作用和化学反应等,对其进行深入研究,有助于深刻理解诸如高分子结构与吸附等性质的关系。 本文研究了受限空间中两类特殊的吸附问题,分别是高分子在条纹壁面的吸附与识别和高分子受限于选择性均匀壁面的吸附。主要内容如下: 1.采用自由空间Monte Carlo(MC)模拟方法研究了稀溶液中共聚高分子系统及其混合物在条纹壁面的组装形态和构型。模拟结果表明,多嵌段共聚物高分子及其混合物在条纹壁面附近发生吸附时,可以很好地识别宽的吸附条纹;多嵌段共聚物高分子的识别能力、自组装形态和高分子的吸附构型与高分子中的吸附嵌段和吸附能强烈相关。在条纹壁面附近,高分子主要以伸展态出现,随着与壁面距离的增大,高分子的状态慢慢向椭球体过渡,并最终以球体状态出现在体相中。在三种吸附构型中,尾式构型的长度最大而卧式构型的长度最小。对于浓度约为0.1的高分子溶液,其吸附机理包括先吸附后识别两个过程。 2.对于混合物的吸附,其中的长链分子通常以“之”字形吸附在宽吸附条纹上,而在窄的吸附条纹壁面上,长链分子则会“跨越”多个条纹区域,而短链分子主要以“刷”形存在。混合物中的短链分子对于长链分子在条纹壁面的构型构造有很大的影响。在稀溶液体系中,高分子的组装形态基本不变,然而,混合物中长链分子的均方回转半径远远小于纯高分子系统中同样长度的高分子均方回转半径。 3.应用密度泛函理论(DFT)研究了条纹壁面中高分子的构型分布与识别能力。结果表明,在高体积分数的系统中,高分子链不仅可以正向识别条纹壁面的吸附区域,也可以反向识别非吸附区域;而在体积分数较低和高分子链段与壁面的作用能较强时,高分子的识别能力相应增强。同时,高分子主要以“刷"形吸附在表面,且“刷"的长度大约为高分子长度的一半。当链长增加,三种构型均呈线性增加,且斜率分别约为0.45,0.24,0.01。 4.采用Yethirai和Ye等人分别开发的两个权重密度函数来构造剩余自由能,并结合单链模拟的方法,建立了受限于选择性壁面的方阱链均聚混合物和方阱链共聚物的密度泛函理论。新的密度泛函理论在大多数条件下能与模拟数据很好吻合;但在部分极端条件下,理论结果有所偏离模拟数据,但仍能很好地反映高分子吸附的基本特征。
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