受限场下均聚物单链折叠热力学和动力学的理论研究

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受限场如何调控高分子链的静态和动态性质不仅是高分子物理学中一个重要的科学问题,还是生命科学中关注的焦点之一,例如,蛋白质分子如何在体内有效折叠?尽管一些工作研究了大分子在受限场中的折叠行为,然而对于不同性质的高分子链,受限空间的几何性质和排斥体积效应如何影响单链高分子的稳定性、结构以及标度行为等仍不十分清楚。为了阐明柔性和半刚性高分子链在受限空间中的折叠行为,本论文主要开展了以下两个方面的研究工作:(1)柔性高分子链在受限场中的折叠热力学和动力学的研究。通过采用计算机模拟的方法,系统地研究了柔性高分子链在半径为L的球形空腔或封闭圆柱(高度H=2L或H=4L)中折叠行为的差异。在热力学上,随着受限空腔尺寸L的减小,聚合物的稳定性增强,但在相同体积分数η而不同几何形状的受限环境下,其稳定性的变化不同。此外,稳定性变化与受限空腔尺寸L之间存在两种标度关系,即(Tf-Tfbulk)/Tfbulk~L-v,其中Tfbulk为本体折叠温度:在较大的空腔内,v的数值与理论分析的值基本一致;而在较小的空腔内,由于受限空腔与聚合物链之间的强烈排斥作用导致新标度的产生。通过绘制以受限空腔尺寸L和温度T为序参量的相图,发现不同受限空腔形状和尺寸会影响相行为和结构。在动力学上,随着L的减小,折叠速率先增大后减小,且折叠速率的减小源于亚稳态的出现。在球形受限和高度H=2L的圆柱受限下,折叠速率与受限空腔尺寸之间仅存在单一的标度关系,而在高度H=4L的圆柱受限下,由于塌缩结构的变化,导致两种标度关系的出现。(2)半刚性高分子链在受限场中折叠热力学和动力学行为的研究。采用朗之万动力学的方法研究了球形受限下半刚性高分子链的折叠行为。在热力学上,随着受限空腔尺寸L的减小,coil-globule转变温度升高。我们分别构建了以受限空腔尺寸L和弯曲强度kθ随温度T变化的结构相图,发现随着受限空腔尺寸的减小以及弯曲强度的增大,半刚性高分子链构象发生了显著的变化。此外,受限空腔尺寸L越小,基态环形结构的圈数越多,高分子链更加塌缩。在动力学上,我们发现受限场加速了高分子链的折叠,且链刚性越强,增速越大。尽管半刚性高分子链折叠过程均出现四种折叠路径,但是随着受限空腔尺寸的减小,折叠路径倾向于选择从无规线团直接到小环结构的路径(C→Ts)。此外,我们发现形成发卡结构(Harpin,H)要有两种方式:一种是半刚性高分子链从一端先形成,再慢慢滑移形成发卡结构;而第二种是先从中间形成,随后高分子链向两边拉,从而得到发卡结构。在受限环境下,半刚性高分子链形成发卡结构更倾向于采用第二种方式。
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