嵌段共聚物及高分子纳米复合物结构和动力学的计算机模拟研究

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计算机模拟中所采用的模型非常重要,它往往决定了所能研究体系的空间和时间尺度。近些年理论模拟科学家们提出了多种从全原子构建粗粒化模型的方法来解决全原子模拟中较小的空间和时间尺度问题,其中玻尔兹曼迭代反演(interative Boltzmann inversion,IBI)是比较具有代表性的方法之一。但由该方法在特定热力学温度下获得的作用势往往很难移植到其它温度,其可移植性较差。本文首先针对聚苯乙烯(Polystyrene,PS)熔体,在玻璃态及熔融态分别选取两个不同温度点构建模型,并采用两点拟合法解决了该模型在一定温度范围内的可移植性问题。通过比较粗粒化与全原子模型在体系密度、单体间径向分布函数、链内键长、夹角分布、链回转半径等物理性质,表明该方法构建的粗粒化模型在结构性质方面与全原子模型完全一致。该方法很好地解决了作用势的温度可移植性问题,也为不同温度下的粗粒化模型的构建打下了良好基础。随着纳米技术的不断发展,制备小尺度的有序结构已成为当下急需突破的技术瓶颈。由于不同嵌段之间的不相容性,嵌段共聚物通过发生微观相分离可形成多种有序纳米结构。例如实验上通过制备小分子量线性两嵌段共聚物已实现10纳米级纳米结构的制备。另外,利用改变链的拓扑结构亦可达到改变结构尺寸的目的,比如环型嵌段共聚物形成的有序尺寸普遍比线性分子要小。而近期的实验及理论研究又表明,链长的多分散性将对嵌段共聚物微观相分离形成不可忽略的影响。本文运用耗散粒子动力学(Dissipative Particle Dynamics,DPD)模拟方法,系统研究了多分散性对短链线性和环状两嵌段共聚物微观相分离的影响。对于短链线性两嵌段共聚物相分离行为,在单分散和单侧多分散体系中,DPD模拟结果几乎完美重现了实验结果和理论预测。并且在单侧多分散体系中发现了无规双连续(Bicontinuous,BIC)结构的形成。而在两侧多分散体系中,由于高度不对称链的存在,有序无序转变点升高。而对于环状两嵌段共聚物,由于本身两个嵌段的特性及自由末端的减少和两个节点的出现,线性两嵌段和三嵌段共聚物自组装的特点在环状两嵌段共聚物的相行为中均有所体现。在单分散和单侧多分散体系中,环状两嵌段共聚物自组装行为与线性两嵌段共聚物基本相同,最大的不同在于环状体系的有序无序转变点较大。在两侧多分散体系中,环状两嵌段共聚物自组装行为更类似于线性三嵌段共聚物。并且当形成双连续结构的嵌段长度一致时,环状两嵌段共聚物形成的BIC结构具有更高的比表面积,更适用于太阳能电池等方面的应用。另一方面,急速发展的材料科学及人们对高性能材料的需求促使人们把更多的注意力投入到纳米复合材料领域,其中更以纳米粒子体系最受欢迎。本文利用分子动力学(Molecular Simulation,MD)模拟方法研究了不同温度下交联软纳米粒子对高分子链运动的影响。并指出了在不同温度下带来不同影响规律的原因,交联纳米粒子是一种软纳米粒子,在相对较高的温度下,交联纳米粒子具有较大的形变能力,可以加速高分子熔体链的运动;随着温度的降低,交联纳米粒子形变能力下降,导致纳米粒子的加入对高分子链的运动带来了额外的自由能垒,反而降低了熔体链的运动能力。
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