线形与环形高分子过孔动力学分子机理的多粒子碰撞动力学模拟

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高分子链在流场诱导下穿过比自身尺寸还小的纳米孔洞的现象被称为高分子链过孔。因为对高分子链过孔现象进行深入地研究可为高分子链的分离与提纯,以及很多生物与化学现象的理解有重要帮助,如DNA、RNA和蛋白质在膜内外的迁移,病毒在细胞核内外的传输等,所以阐明高分子链过孔现象中分子链的运动过程成为了近年来高分子科学中的热点问题。最近二十年中,人们对这一现象进行了大量的实验、理论和计算机模拟研究,取得了诸多成果。但是,过去的研究主要集中在线形链、支化链和星形链,对于环形链过孔行为以及环形链与线形链过孔差异的研究很少。更为重要的是,能否利用高分子链过孔来实现相同链长的线形链和环形链的分离一直以来都是人们关注的重点问题。  在本工作中,我们采用多粒子碰撞动力学与分子动力学耦合的方法,探讨了线形高分子和环形高分子在流场诱导下穿过纳米小孔的输运过程。在模拟过程中,高分子链采用经典的分子动力学方法处理,溶剂分子采用多粒子碰撞动力学方法处理,高分子链上的单元和溶剂粒子之间的相互作用通过碰撞事件来实现,通过对溶剂粒子施加外力来产生流场。我们主要研究结论如下:  (一)、线形与环形高分子过孔的临界流量与构象演化:  1.与德金的理论预测不同,与吴奇院士等理论和其它相关模拟一致,线形高分子链随着孔径的增加,临界流量减小;而临界流量与链长无关;  2.与线形高分子链过孔行为不同,环形链的临界流量随链长的增加而减小,因此,我们利用这一性质,可以分离不同链长的环形高分子链;另外还发现,随链长的增加环形高分子的临界流量逐渐接近线形高分子的临界流量,因此,我们不能利用这一性质分离相同链长的线形和环形高分子链;  3.在相同孔径,相同加速度(流量)下,相同链长的线形链比环形链的临界流量小,这是因为线形链过孔存在两种方式,末端过孔和折叠过孔,环形链只存在折叠过孔(没有末端),而末端过孔比折叠过孔需要克服的熵垒小,从而对应的临界流量小。对于线形链,随加速度(流量)的增加,其末端过孔的概率先增加后减小,而折叠过孔的过孔概率单调增加;且相同流量下,分子链越长,折叠过孔的概率越大。因此,分子链越长,线形高分子与环形高分子的临界流量越接近;  4.对于线形链和环形链,在过孔过程中,链构象尺寸(回转半径)都是先增加后减小;且末端入孔线形链的构象尺寸要大于完全对称折叠入孔线形链和环形链;  5.对于非对称折叠入孔的线形链,短链部分在出孔时,表现为加速出孔。  (二)、大流量下线形与环形高分子链的过孔时间:  1.在外力(加速度)较小时,线形链末端过孔占主导地位,随着加速度的增加,折叠过孔概率增加,最终超越末端过孔占主导地位。  2.过孔时间与链长的标度关系在长链下接近于0.86,该标度率会随着孔径的增加而增加。过孔时间与加速度的标度关系约为-1。  3.在大流量下,相同链长线形链的过孔时间大于环形链的过孔时间,且其时间差,随链长的增加而增加,从而有望利用这一性质来提纯相同链长的线形和环形高分子。
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