论文部分内容阅读
软物质这一概念是1991年法国科学家P.G.deGennes在他的诺贝尔奖演说中提出的。液晶、聚合物、生物大分子等与我们日常生活和工业技术密切相关的物质是软物质科学研究的主要对象。软物质的组成及性质一般跨越多个空间尺度,从原子、分子到组装、分相,也即从微观到介观到宏观。同时,相对应的时间尺度可跨越十几个数量级。结合高性能计算机和计算技术的发展,模拟计算已发展成为独特的科学研究手段,在材料设计、结构与性能间关系的研究中起重要作用。鉴于软物质的上述特性,要正确掌握软物质材料的各层次结构、性能及其相互关系,需要建立从微观模型到介观模型衔接的系统粗粒化方法,以期所建立的特定粗粒化模型可以定量地描述研究体系的分子组成对材料结构和性能的影响。在本论文中,我们分别以具有丰富相态和独特光电特性的nCB液晶分子和具有新性能的聚苯乙烯(PS)和聚乙烯基吡啶(P4VP)高分子共混体系为研究对象,在建立合理全原子力场的基础上,通过发展基于热力学性质(密度,界面张力,相态)和结构(径向分布函数)的系统粗粒化方法,构建有效的粗粒化模型,研究了nCB液晶分子的相行为和性质、PS/P4VP高分子共混物体系的相态及界面性质,主要成果如下:
1.针对目前缺乏面向液晶分子的原子力场的问题,以TraPPE-UA力场为基础,通过优化计算力场参数,为5CB液晶分子构建了一个联合原子模型的力场。此力场不仅重现真实5CB体系的结构、相行为和动力学性质,而且具有很好的可移植性。例如:模拟得到的5CB体系清亮点(TNI)完全符合实验值,有关5CB体系在300K下的本体密度、有序参数、偶极、分子构象性质以及扩散系数等也与实验值相符。此外,模拟发现在相列相(nematic)相态下由于偶极相互作用最近邻5CB分子间存在两种最优的反平行排列结构。将力场拓展用于8CB体系时,模拟得到的NI(nematic-isotropic)、SN(smectic-nematic)相转变温度、密度以及各相态下的扩散系数均与实验观测值相符,并且发现在偶极作用下近晶相(smectic)具有穿插双层结构,而在SN相转变点附近的向列相具有局部层状结构。所有这些都说明了所构建的力场合理、可靠、具有可移植性。
2.通过比较系统粗粒化过程中不同映射方案(即把5CB分子中联苯片段粗粒化成2、3、4个不同数目的粒子),采用基于热力学性质和结构的系统粗粒化方法,确定了5CB分子粗粒化模型的合理映射方案及其力场。该粗粒化模型不仅可以重现真实体系的密度、NI相转变温度、结构性质以及扩散系数,而且向列相中近邻分子间仍然保持反平行排列。此外,分别利用6CB和8CB分子体系研究了5CB粗粒化模型中力场的可移植性,发现6CB体系的NI相转变温度、8CB体系SN和NI相转变温度、以及二体系的扩散系数都跟实验值非常接近。这些结果表明:基于热力学性质和结构的系统粗粒化方法所构建的5CB粗粒化模型不仅重现真实体系的热力学性质、相转变、和结构性质,而且具有很好的可移植性。
3.采用基于热力学性质和结构的系统粗粒化方法,为PS与P4VP建立了粗粒化模型,其中PS粗粒化模型可以重现实验已有的库恩链段长度、特征比、均方回转半径等一些静态性质。进一步以界面张力为系统粗粒化过程中所要重现的目标性质,确定PS与P4VP粗粒化粒子间的非键相互作用参数。初步研究表明PS和P4VP共混体系相分离后的相态随共混物的组成比例的不同可以呈现出层状或柱状相态。在PS和P4VP共混体系加入对称嵌段共聚物,发现共聚物分子链越长,界面张力下降就越快,长共聚物链降低界面张力能力强。