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聚合物纳米复合物（Polymer NanoComposite（s）,PNC（s））材料在过去三十年得到了广泛研究。这是因为纳米粒子（nanoparticle,NP）的引入,在改良聚合物原有性质的同时,还可赋予聚合物材料在力学、光学、和电学等方面的新功能,使得其具有更加广泛的应用情形。为了更好地设计PNC材料,需要对PNCs中涉及的复杂动力学问题进行深入研究。例如掌握NP的动力学性质,有助于我们解决如何在PNCs中更好地分散NP这一关键问题。此外由于聚合物通常以玻璃态存在,而实验和工业上经常以薄膜的形态制备、研究聚合物,因此对PNC薄膜的玻璃化转变现象的研究具有很强的应用背景。NP和薄膜厚度所导致的纳米受限效应均来自界面效应。这种界面效应对玻璃化转变具有重要影响。例如界面效应所影响的区域大小与玻璃化理论中的动力学协同区域尺寸的概念密切相关,因而研究PNC薄膜的玻璃化转变现象也具有重要的理论价值。此外,近二三十年玻璃化转变研究领域的一个重要理论是动力学异质性（dynamic heterogeneity,DH）。PNC薄膜这种纳米受限条件下DH是否会呈现出新的特点?这个问题不仅对理解玻璃化转变现象非常关键,也对PNC薄膜的应用具有重要的指导价值。基于以上背景,本博士论文的研究内容如下:1.超细纳米棒探针在线性聚合物熔体中的平动以及转动动力学的研究对NP在聚合物熔体中的动力学性质的研究,不仅有助于发展基础理论,也对新材料开放、设计药物运输等实际应用具有重要指导价值。之前人们的研究主要关注球状NP的行为,然而纳米棒（nanorod,NR）的应用日益广泛,亟待相关理论的研究。NR因为其形状各向异性,其运动也具有各向异性,从而赋予了PNC材料许多新性质。为了研究超细NR在聚合物熔体中的动力学,我们系统地进行了粗粒化分子动力学模拟。结果表明,直径等于聚合物单体直径的超细NR的平动动力学,在缠结聚合物中对聚合物的链长（N）没有依赖性。该结果首次从模拟上验证了de Gennes的理论预测。而当棒长大于缠结聚合物的管子直径后,缠结链段数目会对NR的转动运动产生影响,从而使得棒长为2倍管子直径的NR对N有弱依赖性。而在非缠结聚合物中,NR平动和转动动力学对N均存在与棒长相关的弱依赖性。因此NR的动力学,取决于NR与聚合物两者的特征尺寸的相对大小。这些结果为人们在PNC材料设计中更好地使用NR提供了理论依据。2.自支撑复合物物薄膜中的玻璃化转变以及相关动力学性质的模拟研究在自支撑（free-standing）PNC薄膜中,体系的性质同时受到自由表面（空气-聚合物界面）和NP的影响。在本工作中,我们使用分子动力学模拟研究了NP与聚合物单体之间的吸引作用如何影响玻璃化转变和相关动力学。首先,我们验证了前人关于NP与聚合物单体之间吸引强度对于NP在薄膜中的位置的影响:当吸引较弱时,NP会分布在自由表面;而吸引较强时,NP则分散于薄膜的中间区域。对于前者,其玻璃化转变温度Tg和不含NP的纯聚合物本体体系的相同。这是因为处于表层区域的NP,遮蔽了来自于自由表面的纳米受限效应。具体来说,表层区域的运动减慢,不同层的动力学差别减小,动力学各向异性的强度减弱。所有这些改变使得薄膜的动力学更加接近本体的动力学,最终导致其Tg恢复了本体值。这个结果为许多类似的实验现象提供了清晰的微观物理图景。而对于后者（吸引较强时）,位于薄膜中间区域的NP所导致的强吸引作用,使得中间区域的聚合物单体更加紧密地堆积,进而导致了相当缓慢动力学。此外由于NP处在薄膜中间,薄膜不同层的动力学的区别加大,并且薄膜的表层区域具有比纯聚合物薄膜的更强的动力学各向异性。最终体系的Tg明显上升。这些结果有助于人们更好地理解、制备PNC薄膜,从而实现更好的材料设计。3.纳米受限条件下过冷聚合物液体动力学异质性的比较研究动力学异质性（DH）是玻璃化转变的一个典型特征,是理解玻璃化转变的关键所在。我们对纯聚合物和PNCs在自支撑薄膜和本体状态下在过冷态的DH进行了比较研究。结果表明,薄膜中存在两个相互竞争的因素共同影响着体系的DH。这两个因素是动力学梯度和更快的平均动力学。动力学梯度是垂直于膜平面方向的不同层间的动力学区别。它作为一种静态的在空间上的动力学涨落,使得薄膜的非高斯参数α2大于本体中的。动力学梯度也增加描述协同运动区域的string尺寸。但它对string尺寸的影响要远弱于对α2的影响。在更薄的膜中,动力学梯度对string尺寸的增大效应,被更快平均动力学导致的的string尺寸的减小效应所超过,使得更薄的薄膜中string的尺寸小于本体中的。而对于α2,来自动力学梯度的贡献,始终占主导。另一方面,由于动力学梯度对动力学,对动力学在时间上的涨落没有贡献,DH的特征时间（如α2和string尺寸的峰所处的时刻）和持续时间与交换时间的比值等物理量,受到更快动力学这个因素的主导,使得它们在薄膜中具有比本体中更小的值。我们的结果表明,动力学分布（如α2）、动力学协同（如string）、和动力学交换（如持续时间与交换时间的比值）这三个描述DH的常见手段,对DH在时间、和空间上的涨落的描述具有不同的侧重。若想获得纳米受限条件下DH的完整物理图景,需要结合使用这三种描述手段。我们的结果,突出了动力学梯度对DH的独特贡献,有助于人们对玻璃化转变相关动力学的理解。