胶体与界面的密度泛函理论

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高分子系统中胶体颗粒的行为引起实验和理论研究的持续兴趣,这主要因为它与胶体稳定性问题的密切联系。理论上,理解胶体/高分子系统的行为的出发点在于胶体粒子间的有效相互作用势能,它是胶体颗粒间的直接分子相互作用和耗尽势的总和。插入途径密度泛函理论(insert route density functional theory,IRDFT)、改进的基本度量理论(modified fundamental measure theory,MFMT)以及热力学微扰理论(thermodynamicperturbation theory,TPT1 and TPT2)被结合而用以研究无热高分子溶液中胶体粒子间的耗尽力。该理论方法解释了在实际胶体系统中起到重要作用的排斥体积效应和高分子链内相关性的竞争机制,有较为严格的数学和物理基础。硬球/硬球链系统的理论耗尽力曲线在较宽广的参数(高分子浓度、链长等)范围内与模拟数据进行了比较,显示出该方法的可靠性,理论预测结果捕捉了高分子诱导的胶体颗粒间耗尽相互作用的主要特征。当两胶体颗粒间距小于高分子链节大小时,TPT2的结果略好于TPT1,这暗示了三体相关性在此问题中的本质影响。利用IRDFT和TPT1,高分子密度、链长以及胶体粒子相对高分子链节的尺寸比对耗尽力的影响被细致地研究。由于理论预测在高密度区域相对计算机模拟的偏离,可以预见在排斥体积效应和链连接性的竞争平衡方面,仍需进一步的改进。 引入分子结构约束,将已建立的胶体/高分子混合物的IRDFT,进一步扩展到环状高分子体系,我们还分别以直链和环状结构的高分子及其单体为耗尽元,计算了不同耗尽元条件下的胶体间耗尽相互作用,细致分析了链状分子结构对胶体稳定性的影响。研究表明,无论对于絮凝破坏还是胶体保护,自由环状高分子相对简单原子和直链高分子,有更大的优势。 为理解高分子在不同表面和胶体应用中的作用,理解它们如何在界面上吸附是必要的。本文提出一个高分子溶液的格点密度泛函理论(lattice density functional theory forpolymer solution,PSLDFT)。该理论解释-了相邻格点的相互作用以及由于高分子链连接性导致的长程相关性。在均相混合Helmholtz自由能和简单加权方法的基础上,我们构建了一个包含局域和非局域贡献的Hemholtz自由能泛函。作为初步的应用,该理论被用以研究固液界面的高分子吸附,理论所预测的密度分布与计算机模拟结果很好吻合,而且与经典的Scheutiens.Fleer理论结果相比有明显的改进。
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