高分子流体动力学的计算机模拟

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高分子流体包括高分子熔体和高分子溶液,高分子熔体由于链内的排斥体积效应被屏蔽,其静态性质和热力学性质与理想链相似。根据高分子熔体中是否存在缠结效应,其动力学可以分别用reptation和Rouse模型描述。高分子溶液由于有溶剂存在以及高分子链内存在排斥体积效应,其动力学比高分子熔体要复杂。对于高分子稀溶液,高分子链受到处在它周围的溶剂分子的流体力学作用,其动力学性质可用Zimm模型描述。   本论文工作以分子动力学模拟方法为基础,采用了三种模拟方法:非平衡分子动力学算法NEMD,含流体力学相互作用的布朗动力学算法以及格子玻尔兹曼与分子动力学耦合的多尺度方法LBMD。   通过应用这些模拟方法,对高分子熔体、两相共混体系以及高分子稀溶液的动力学进行了模拟研究。我们考察了高分子熔体静态和动力学性质,发现在链长Ne≈50处,高分子熔体动力学发生从Rouse模型到reptation模型的转折,其链质心扩散系数D与链长N标度关系发生由D~N-1到D~N-2的转折;非平衡态分子动力学模拟对熔体粘度的计算表明它在计算材料的粘弹性方面比平衡态分子动力学方法更直接和准确。研究了两相共混体系的相图以及相分离动力学,发现通过应用无规相近似理论(RPA)和非线性回归拟合共混体系结构因子,从而获得共混物Flory-Huggins相互作用参数,然后确定相图的方法比数值计算结果更可靠;相分离动力学可以用亚稳态相分离(Spinodal Decomposition)来描述,在亚稳态相分离中期,相区尺寸随时间的增长符合R(t)~t1/3的标度关系。我们比较了在相同和不同溶剂环境下,在没有外力驱动下高分子链在纳米孔中传输穿过膜的过程,发现溶剂性质对传输时间与高分子链长的标度关系有很大影响,膜两侧溶剂性质差别越大,传输时间越短,传输效率越高。另外,也尝试了用含流体力学相互作用的布朗动力学算法和LBMD多尺度模拟方法来实现对高分子稀溶液中流体力学相互作用的模拟,探讨了用LBMD多尺度模拟方法对在更长时间和更大空间尺度上的相分离动力学研究的可能性。
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