基于格子模型高分子吸附的Monte Carlo模拟和密度泛函理论

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高分子在不同界面上的吸附在许多实际的工业过程中具有非常重要的作用,例如胶体悬浮液的稳定,功能性纳米复合材料的制造,以及生物分子的活性等。为了理解吸附的机理以及改进技术的应用,获得高分子链在壁面附近的构象是非常关键的。无论是从实验技术还是从理论方面,关于高分子吸附性质的研究一直都是人们关注的研究热点之一。然而,我们很难单纯地仅从实验或理论方法建立起清晰的吸附层微观结构,因为这两种方法都不能直接地观察到高分子在不同界面附近的各种构型及其分布情况。而借助计算机模拟手段,不仅可以直观地获得这些信息,而且可利用计算机模拟结果检验理论预测的可靠性。本文利用Monte Carlo(MC)模拟手段和格子密度泛函理论(LDFT)研究了不同结构的高分子在固体界面的吸附情况。 通过基于立方格子模型的Monte Carlo模拟方法,研究了非选择性溶剂中随机共聚物、均聚物、两嵌段共聚物和两种三嵌段共聚物在固/液界面的吸附行为。观察了高分子的结构对诸如吸附链节分布、各种吸附构型的大小分布以及总链节密度分布、表面覆盖率、吸附量和吸附层厚度等吸附性质的影响。研究结果表明,对于所有的高分子,各种吸附构型的大小分布取决于链节的排列顺序和与壁面之间的吸附能。模拟结果显示,吸附量一般会随体相浓度的增大而增大,但吸附层厚度却大多依赖于吸附能。一般来说,两嵌段共聚物得到的表面覆盖率和吸附量是最大的,而均聚物则给出最小的表面覆盖率和吸附量。在相同的链组成和链节吸附能的情况下,高分子链的分子结构是影响其吸附性质最重要的因素。特别有意义的是,随机共聚物的吸附行为明显地不同于其他嵌段共聚物,其吸附性能更接近于均聚物。通过引入“有效吸附能”这一新的概念,我们发现随机共聚物与均聚物之间的吸附性能具有明显的相似性,这种相似性与共聚物的组成和链节.壁面之间的相互作用能无关,因而可以通过更易确定的均聚物吸附行为来有效地预测随机共聚物的吸附性质。 采用LDFT与MC单链模拟相结合的方法,研究了高分子溶液在壁面附近的结构,实现了通过一个简单的迭代过程就可达到较快收敛速度的目的,为进一步构筑密度泛函理论奠定了基础。在理想系统混合Helmholtz自由能的基础上,构建了一个包含局域和非局域贡献的密度泛函,成功地将高分子的构型统计引入LDFT理论中以研究其微观结构信息。将建立的密度泛函理论用于两个壁面间的受限高分子溶液,并与S-F理论和MC模拟结果进行了比较。研究发现在各种密度、链节间作用能和吸附能的很大范围内,理论所预测的密度分布与计算机模拟结果都能很好地吻合,与经典的Scheutjiells-Fleer理论结果相比有明显的改进。
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