弱聚电解质刷的Monte Carlo模拟

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弱聚电解质刷的蒙特卡罗模拟一直是一个十分困难的问题。它的困难之处主要在于三点。首先,由于高分子单体间强烈相互作用,使得单体周围势函数存在势垒,进而使得蒙特卡罗中的很多尝试移动失效,最终导致平衡时间急剧增加。其次,弱聚电解质刷的单体间存在库仑作用,其长程特性导致计算十分费时。最后,弱聚电解质刷的模拟涉及电离平衡,需要插入、删除粒子操作,这些过程属于非局域的移动,会导致常用的加速短程势能计算的Verlet列表方法失效。本文逐个解决了以上问题。首先,为了加速高分子平衡,高分子模型采用了三维键涨落模型。弱聚电解质刷的电离平衡采用了常p H滴定方法,来模拟电离平衡。其次,为了快速计算长程作用,本文先采用多时间步方法,使得长程作用按照多蒙特卡罗步进行更新,之后采用了Smooth particle mesh Ewald(SPME)方法,从而实现了同分子动力学同样计算复杂度,也就是(ln)的长程作用的快速计算。最后,为了解决非局域移动引起的Verlet列表方法失效问题,本文发展了基于双向链表技术的元胞列表方法,从而使得短程作用的计算仍然保持在()的计算复杂度。为了验证方法的可靠性,本文的模拟结果同高分子理论、分子动力学结果、小体系文献模拟结果等进行了对比验证。最后,本文研究了p H、接枝密度、外加电场等因素对弱聚电解质刷形态的影响。模拟的结果包括,滴定曲线,刷子高度等变量在滴定点的突变现象,刷子内部电离度呈现不均匀分布,高价盐引发刷子坍缩成团,电场引起刷子伸长等等现象。
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