受限條件下半剛性高分子體系的相行為的理論研究

《受限條件下半剛性高分子體系的相行為的理論研究》是依託北京交通大學，由張興華擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：受限條件下半剛性高分子體系的相行為的理論研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：張興華
• 依託單位：北京交通大學

項目摘要

受限半剛性高分子的相行為是天然和人工高分子體系中被人們普遍關心的基本問題。生物學中病毒的結構、材料科學上填充在金屬-有機框架中的高分子的堆積結構以及光電子器件中高分子的凝聚態結構都可以被模型化為受限的半剛性高分子體系。受限條件的引入將導致體系取向序和平移不變性的破缺，進而在三維空間中形成複雜的結構。這些結構影響著受限體系的相轉變動力學及其對外界的回響，是實際受限高分子體系中物理性能實現的基礎。本項目基於本課題組新發展的高效、高精度的半剛性鏈的單鏈平均場理論方法，圍繞受限半剛性高分子體系的相行為這一核心內容，分別在各向同性和各向異性的受限條件下，討論高分子在迴轉半徑和持續長度兩個尺度上的受限效應；通過尋找可能的有序結構，判斷各結構的穩定性，來繪製出受限在硬殼中半剛性高分子體系的相圖；為理解生物高分子受限體系中結構的形成與生理功能的實現以及人工高分子受限器件的製備與性能的調控提供理論支持。

結題摘要

受限體系中高分子的構象統計和所形成的有序結構是高分子物理關心的基本問題。本項目採用蠕蟲鏈模型的平均場理論來研究強受限效應，即體系特徵尺度接近高分子持久長度的體系中的新效應。傳統基於擴散方程數值求解的自洽場理論難以處理本項目關心的受限和有曲率表面體系的問題。我們結合平均場理論和分子模擬技術開發了蠕蟲鏈模型的單鏈平均場理論。其基本思想是採用路徑積分求解物理量的系綜平均值方法來代替自洽場理論中先數值求解傳播子再計算系綜平均的方法。由於這一理論具有適用性強、通訊損耗低、並行化效率高等優勢，我們結合超性能計算平台（天河II號）的使用深入探索了該理論的高效數值解決方案，拓展了該理論的適用性和大規模計算能力。套用這一理論，開展了系列的受限體系中半剛性高分子的研究，包括平板受限下具有液晶序的高分子刷的力學回響，受限於曲面間反應性高分子刷的反應機率，光回響性高分子刷，以及高分子結晶體系的研究。理論工作的實踐表明相比高斯鏈模型所描述的柔性高分子體系，具有半剛性的高分子鏈在受限環境中以及有曲率表面體系中展示出更加豐富的結構和獨特的回響性質。本項目的順利完成為半剛性高分子體系的研究提供有力的平均場理論工具，並為半剛性高分子的回響行為的深入研究奠定了基礎。