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高分子链(包括各种链拓扑结构)的缠结问题一直是高分子科学领域的焦点问题之一。缠结的发生基于链节之间的连接性以及链轮廓不能互相穿越的事实。在过去的几十年里,尽管人们做了大量工作,关于高分子的缠结问题仍存在着诸多争议。实验方面存在着诸如制备得到纯净样品的困难,而理论预测中的简化和近似处理的合理性通常难以准确估量。如今,随着计算机技术的飞速发展和新的模拟方法的不断涌现,计算机模拟已经成为了除理论和实验之外的第三种研究方法。计算机模拟的高度透明性以及模拟参数的可控性,有助于获得研究对象的详细微观结构信息并精确辨明不同影响因素对最终性质的影响,从而建立结构与性能之间的关系,更好地理解其物理本质。
本论文利用格子Monte Carlo模拟方法探讨了链拓扑结构、基体高分子链长以及受限条件等对共混体系中高分子行为的影响,主要内容如下:
首先,针对近几年来发现的由于高分子链的不同拓扑结构引起的独特的动力学行为,我们研究了4种不同拓扑组合体系(环-环、线-环、环-线和线-线)中目标单链(环形链或线形链)在不同链长的基体分子中的扩散行为。我们考察了目标单链的尺寸和动力学行为对拓扑结构及基体分子链长的依赖性,发现即使是在链长较短的情况下,环-线体系中的目标单环也会因为环线贯穿而产生不同于其它三种拓扑组合体系的静态和动态性质。
为了明晰单环在线形基体中性质出现异常的因为,我们研究了单环在链长较长的线形链基体中的性质(以便于单环和线形链能够形成充分的缠结)。通过分析目标单环的尺寸及扩散系数在样本中的分布情况以及考察分子的直观贯穿构象,我们发现随着线形链长度的增加,单环的行为会出现异质性。这种异质性是环的不同贯穿态之间较慢的相互转换造成的。此外,我们的结果说明在诸如共混的复杂环境中存在“分子个体性”,而目前常用的平均场方法还不足以对其进行充分描述。
我们进一步关注了管道受限条件对缠结和非缠结高分子体系性质的影响,研究了在不同受限条件下,具有不同链长的线形链体系以及单环在线形链体系中的性质。我们发现,对于链长在本体临界缠结长度之下的线形链来说,其尺寸和扩散随着管道半径的减小而分别单调地减小、变慢;而对于本体中缠结的线形高分子来说,一定程度的受限具有解缠结的作用。对于单环在线形链基体中扩散这一体系,我们发现尽管目标单环的尺寸基本不受基体链长的影响,但是其平行于管道方向的扩散却与线形链基体的动力学行为一致。该结果为进一步阐述受限对高分子缠结行为的影响提供了理论指导。