高分子片晶生长的蒙特卡洛模拟研究

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高分子学科从诞生以来,就不断地体现着“高分子”这一特殊事物的特殊性质。任何一门独立学科都有其源概念,而高分子区别于小分子的源概念,则在于其独特的熵弹性、链折叠等行为。现今更是高分子材料蓬勃发展的时代,在能源危机等日益迫近的问题面前,人们也将眼光从传统的石油高分子转向了天然生物高分子。高分子以其特殊的源概念带来的性质,在现在乃至未来都会持续地焕发光彩。  全球三分之二的合成高分子是可以结晶的。高分子以其特殊的半晶织态结构,吸引着一批又一批的研究工作者的目光。高分子的结晶区域为材料提供了必要的强度,而高分子的非晶区域则为材料提供了必要的韧性。对高分子半晶织构的调控,是二十一世纪的一大科学难题。在越来越多的高分子结晶原理被揭示、越来越多的高分子结晶问题被解决的同时,科学工作者也遇到了很多困难,如经典的理论会难以解释高分子结晶中的一些特殊现象,如实验观测手段的限制而导致无法继续深入研究高分子结晶的一些本征问题。为此,在理论与实验方法之外,计算机模拟实验正发挥着其独特的优势。  如果说各类实验仪器是人类感官能力的延伸的话,那么计算机的出现则是人类思维能力的延伸。蒙特卡洛模拟实验是计算机实验中的一种高效方法,它基于随机抽样的原理,十分适用于存在大量随机问题的高分子体系。我们应用蒙特卡洛模拟方法,可以在三维格子空间中、在纳米尺度下对高分子片晶生长的一些问题进行细致地研究。本文在基于胡文兵等人的工作基础上,应用三维格子空间的动态蒙特卡洛模拟方法对高分子片晶生长的一些问题进行了研究,并复现了实验中常见的片晶碰撞与片晶穿插生长现象。同时,我们也应用链内成核模型,对模拟中出现的结果进行了解释。  第一章,我们介绍了高分子结晶学的一些基本概念与常见的实验现象。高分子以其独特的源概念,在发生结晶行为时有着独特的形态与动力学现象。我们从高分子结晶的多尺度、多形态出发,概括地介绍了高分子结晶的一些热力学理论和动力学模型,并引出了本文的理论背景即链内成核模型。  第二章,我们介绍了动态蒙特卡洛模拟的基本思想、基本方法以及我们具体采用的算法。在离散的三维格子空间中,我们通过单格点跳跃与蛇形滑移的方式实现了高分子链的运动。通过引入一系列能量参数与使用Metropolis重要性样本抽样方法,我们可以得到一系列符合热力学分布的高分子链构象。能量参数中的平行排列相互作用,是高分子结晶的驱动力。因此我们可以在格子空间中研究高分子的结晶问题。  第三章,为本论文的主要模拟工作。在三维格子空间中,我们模拟出了实验中常见的交叉片晶碰撞现象。交叉片晶碰撞后,发生碰撞的前沿停止生长,而其余部分可以穿插而过继续生长。我们进行了一些形态学的观察,发现发生碰撞的生长前沿由于空间受限的原因继续保持着楔形的形状,而该前沿处始终存在着一本征的无定形层,该无定形层的厚度与分子链长无关,可以用链内成核模型来解释这一无定形层的出现以及其厚度的性质。同时,我们还进行了更为一般情况的模拟,片晶生长一段时间后,若将体系中未参与结晶的分子链的平行排列相互作用去除,我们则可以将注意力集中在晶区分子链无定形部分的链内相互作用上。此时我们发现,退火足够长时间后,片晶发生了些许增厚,其生长前沿也推进些许,但仍然保持着楔形的形状。此时生长前沿的无定形层仍然存在并不会消失。以上现象是前沿存在链内成核的有力证据,也可以证明之前由交叉片晶碰撞所观察到的现象。  第四章是作为全文的总结。
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