高分子超薄膜結晶中圖樣生成的計算機模擬研究

《高分子超薄膜結晶中圖樣生成的計算機模擬研究》是依託復旦大學，由劉一新擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：高分子超薄膜結晶中圖樣生成的計算機模擬研究
• 依託單位：復旦大學
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：劉一新

項目摘要

圖樣生成問題是凝聚態物理學研究中最為活躍的前沿領域之一。高分子超薄膜結晶所形成的多種複雜微觀圖樣，其本質與小分子體系相同。由於高分子結晶自身的特性，比如結晶速率低等優勢，使其更適於研究結晶圖樣及其生成動力學問題。另一方面，由於高分子結晶形貌等微觀結構對高分子材料的性能起著決定性的影響，研究其微觀圖樣生成機理也具有重要的現實意義。在這一領域，目前國內外在理論特別是計算機模擬方面的研究仍很缺乏。本項目擬從以下三方面開展相關研究：（1）均聚物超薄膜結晶的相場模擬研究。著重探討超薄膜厚度對結晶圖樣生成的影響以及定量考察圖樣生成動力學並與小分子體系做對比，同時我們還將研究含有兩種晶相的圖樣生成以及圖樣在退火過程中的演化問題。（2）嵌斷共聚物超薄膜結晶的相場模擬研究。重點搭建嵌斷共聚物體系可用的相場模擬方法並初步研究其圖樣生成並構造形貌相圖。（3）基於GPU計算平台的相場模擬算法的開發與實現。

結題摘要

高分子超薄膜結晶過程中可生成種類豐富的複雜微觀圖樣。理解這些圖樣的生成機制可用於控制高分子結晶形貌等微觀結構，進而調控高分子材料的性能，因此具有重要的科學意義和套用價值。本項目運用多種理論和模擬手段，包括相場模擬方法和蒙特卡洛模擬方法，著重研究了高分子超薄膜結晶中的圖樣生成機制和動力學過程。通過以片晶厚度為序參量與晶體生長前沿區域表面高分子鏈段濃度場偶合建立了相場模型。為求解含非邊界條件的相場方程開發了基於切比雪夫格線的指數差分四階龍格-庫塔算法（ETDRK4），並對其進行了系統的性能表征。性能測試結果表明ETDRK4算法具有四階時間精度和在空間維度的指數收斂性。它的性能顯著優於基於拆分算符的偽譜算法。採用非格子蒙特卡洛模擬方法研究了含兩種晶相（兩種厚度片晶）高分子超薄膜結晶的圖樣生成和動力學過程。研究表明，新相在母相中的成核只要滿足成核位點耗盡機理，新相的粒徑分布即可呈對數常態分配模式。在開展以上研究的同時，本項目還開發了線上模擬軟體平台NGPy和相場模擬軟體包PFSIMPY等軟體。