受限高分子链的构象统计及其计算机模拟

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本文对受限高分子链的构象统计及其计算机模拟进行了研究,其中系统研究了高分子链在平面壁具有的多种限制情况下的构象变化,完成了高分子链从远离壁到接近平面壁,和分子链吸附到平面壁及穿过平面壁的整个过程,得出上述情况下受限于平面壁的高分子链的构象分布及概率函数。同时,从分子构象的角度讨论了溶液理论及相关热力学量,并对特殊条件(高压)下高分子材料的玻璃化过程与分子构象变化之间的关系进行了研究。 除序言(第1章)外,本研究工作分为三个部分,计算方法(第2,3章)部分讨论了所采用的计算模型及方法的有效性,以及介绍了论文相关的高分子基础理论。理论分析与模拟(第4,5,6章)部分主要研究了几种平面壁受限高分子链的构象统计及概率分布函数。最后一部分(第7,8章)为基础应用研究,主要进行高分子溶液理论的研究及对在高压条件下的高分子构象变化的情况进行了分析与讨论。 计算机模拟实验随着硬件和软件的发展,日趋成熟。但在相当多情况下,计算结果与普通实验结果不能很好的符合。其原因在于,首先,进行计算用的理论模型本来是对实验的一种抽象描述,为了突出研究重点,它对实验进行了理想化;其次,基于理论模型的计算模型有时不可能完全与理论模型一致,同样,为了计算的有效与方便,它须引入了部分假设,对理论模型进行二次简化。因此,对同样问题的研究,实验,理论与计算三种结果是不完全一致的。为了避免这种情况出现,使本研究的计算结果的更加合理和可信度高。从算法上,本文选用了与基础理论模型相符合的计算模型,并尽量减少或避免在计算过程中引入其它的假设条件。因此,本文选用直接计数方法(D cM,有时称精确计数法,EN),统计计数方法(S CM)及动态蒙特卡罗(dynamic Monte Carlo)方法进行了研究。其中,对动态蒙特卡罗方法的分子链段松弛模式,从多方面进行考虑,选用了反转运动(fliP)模式,曲柄运动(erankshafte)模式及枢轴运动伽vot)模式三种基本链段松弛模式,以保证计算模型的合理与计算结果的可靠性。 随后进行了如下的具体研究: 在近壁高分子模型链的构象变化研究中,采用组合方式及解析计算方法推导出了近壁高分子链的构象生成概率,并且用蒙特卡罗方法讨论了距平面壁不同位置的高分子模型链构象变化情况。研究结果表明,蒙特卡罗方法可以得到与解析计算完全一致的结果,而组合方法本身对链长N,初始位置x。及末端位置x的奇偶性有要求,但在通过修正后也能得到与以上两种方法一致的结果。 平面硬壁对高分子构象具有明显的空间限制作用,这种限制作用与链的初始位置有直接的关系。当分子链的初始位置越靠近壁,链所受的影响越大,嫡值越低。并且研究发现近壁链的构象变化过程为一单调过程,不存在任何的谷点。 在对近壁链构象数标度变化的讨论中,定义一个新参数xc,表示近壁链不受平面壁影响的最小统计距离。研究发现,x。大于链的均方末端距<R2>’尼,并且与均方末端距具有相同的标度关系,xc~<R2>l几气NllZ。由此可见,随着链长N的增加,xc将远远小于分子链长N。同时,本文也讨论了近壁链构象数模型计算中,放大因子Y随距平面壁的距离的变化情况。结果表明,它将由0.5迅速变为1.0,分子链的概率与近壁距离x的函数关系表现为误差函数形式。 而附壁链的构象研究工作主要完成了自由附壁链构象分布情况及非端基附壁链的吸附构象随分子链上吸附点变化的情况。通过理论分析与讨论,研究发现在分子链自由运动到平面壁上,并且与平面壁发生吸附的所有附壁链构象中,形成端基附壁的分子链构象的比例比较小,而且随着链长的增加(如果没有其它作用的话)基本上不会自由形成端基附壁链的构象形式。非端基附壁链的构象数占绝大多数,当链长足够大时,所有非端基附壁链的构象数占自由分子链构象数的5/6。然而,就平均而言,端基附壁链出现的标度关系为~y一1尼,而非端基附壁链的平均构象的标度关系为~万,,说明随着链长增加,出现端基附壁构象的几率比任一指定的非端基吸附链构象的几率都大。 对端基附壁链而言,比较容易形成吸附形式简单的构象形式,比如尾形链及“轨形链段+尾形链段”的组合模型链。其中形成的组合模型链占主要部分(约占所有端基附壁链构象数的的1/3),其次为尾形链构象(占所有端基附壁链构象的1/6)。 在对非端基附壁链构象的研究中,本文比较了三种简单的构象形式一一“尾形链段+尾形链段”,“尾形链段+环形链段十尾形链段”及“尾形链段+轨形链段+尾形链段”等组合模型链。其中最后一种模型链占有的比例最大,其次为第一种模型链。 对非端基附壁模型链中的“尾形链段十尾形链段”吸附构象,本文讨论了随着分子链上吸附点的变化,该模型链自由能的变化情况。发现在吸附点位于分子链N/2的位置时,模型链具有最小的构象数,它的自由能变化也是最大的。同时它需克服的能垒与链长的自然对数成正比,当万一co时,乙Es也趋于无穷大。 在该研究部分中,还详细讨论了界
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