链状分子软物质的蒙特卡罗模拟和部分实验研究

论文摘要

在过去的10～20年里，人们逐渐认识到高分子、生物膜、液晶、胶体、水凝胶等都属于一种独特的物质类型——软物质（soft matter）。这些体系中的许多现象都遵循相同的物理机理，有关研究成果可以相互借鉴；而且不同研究方向结合后还可能发现新的性质。软物质的基本特性是对外界微小扰动会产生敏感的、非线性响应。在软物质中，熵或者热涨落占据了主导地位。软物质中往往存在介观尺度的（mesoscopic）有序结构。今天，软物质是最热门的自然科学研究方向之一。但是软物质的研究也存在不少困难：由于软物质具有复杂的结构（微观的链结构、介观的聚集态结构和宏观的流变行为），通常的测试方法很难同时对体系三个尺度上的性质进行研究。另一方面，软物质中存在多种作用，理论上很难处理。现在，计算机模拟已经成为除理论和实验之外的第三种研究方法，并且在软物质研究中发挥着重要的作用。Monte Carlo模拟是一种广泛使用的模拟方法，尤其是在格子空间中的模拟效率很高。Monte Carlo模拟能够同时考察体系的微观链行为和介观聚集态结构，利用构象分布函数还可统计宏观的流变行为，模拟中实现了对体系不同尺度性质的观察。通过选择恰当的算法，Monte Carlo模拟还能对体系的动力学过程进行研究。本论文主体部分采用格子空间的动态Monte Carlo模拟对嵌段聚合物、聚合物刷以及囊泡等体系进行了研究；此外，作为原来硕士论文有关水凝胶工作的延续，博士阶段还对聚合物凝胶的吸水过程进行了实验观察。本博士论文的主要创新性贡献可以分为以下5个部分：1．运用格子链Monte Carlo模拟研究了具有相结构的嵌段聚合物在周期剪切场下的流变行为，并考察了流场下链构象的变化。利用非平衡态Monte Carlo方法在体系中引入了流场，并根据构象分布函数统计了多链体系的应力张量。在再现了嵌段聚合物溶液自组装结构的基础上，重点对胶束体系进行了温度扫描、频率扫描等“计算机实验”，模拟结果和文献报道实验测量相符合，而对流场下的链行为的直接观察则是实验中很难实现的。本研究的意义在于，我们的模拟方法能够方便地对体系不同尺度的行为（微观链结构、介观聚集形态和宏观流变性质）进行研究（有关结果2005年在Journal of Chemical Physics上发表）。2．通过上述非平衡Monte Carlo模拟方法再现了Klein等在Nature上发表的实验论文所报道的聚合物刷在剪切场中法向应力急剧增大的现象，但同时否定了其理论解释。我们模拟了聚合物刷的静态行为和动态行为，侧重考察了聚合物刷在周期剪切下的流变行为。我们发现，高频剪切时，链上的各单元对流场的响应并不同步，链在空间的轨迹呈“鸡冠花”状。随着剪切速率的增大，法向应力会突然增大，再现了实验观察到的现象。但是链构象分析表明，文献所推测的刷子厚度增大机理并不成立。我们认为，法向应力的增大是链在周期剪切大应变时的非线性行为，与刷子的厚度无关。不同剪切频率的数据也支持这一点，并得到了稳态剪切模拟的进一步证实（有关结果2005年在Journal of Chemical Physics另外一篇论文中发表）。3．模拟了单组分和多组分嵌段聚合物囊泡的组装行为，并预测了囊泡融合过程中内外层分布的变化。运用格子链动态Monte Carlo模拟证实，两亲性嵌段聚合物能够在合适的条件下自发形成囊泡。对囊泡的结构研究发现，囊泡的内外层链数并不相同，具有长亲水链段的两亲性嵌段聚合物更倾向于分布在囊泡的外层，这和最近Eisenberg等人的实验报道一致。动力学分析表明，囊泡主要通过相互间的融合长大，同时在后期链的蒸发-凝聚也应考虑。在囊泡的融合过程中伴随着从外层到内层的链迁移，长亲水段分子的迁移能力更强（有关结果2006年在Langmuir上发表）。4．首次进行了两组分囊泡中的侧向相分离和出芽现象的格子链Monte Carlo模拟。由两种链构成的囊泡，当异种链间吸引减弱时，能够观察到微畴诱导的出芽现象；而同种链吸引增强时则只能形成微区，我们的模拟符合Lipowsky理论。还研究了微畴自发曲率对出芽方向的影响，发现在我们的体系中很难观察到微畴向内弯曲的出芽方式。我们认为，这是因为母体囊泡的形状给微畴向内弯曲带来很高的势垒。动力学研究表明，微区的生长符合蒸发-凝聚机理，不同的相分离方式对囊泡的影响主要是影响链向溶剂中的蒸发（有关工作正在整理中）。5．通过实验发现高分子水凝胶干燥后的吸水动力学过程遵循case-Ⅱ扩散机理。制备了柱状聚丙烯酸-丙烯酰胺水凝胶，并对干凝胶的吸水膨胀过程进行了实时观察。实验发现，柱状干凝胶在吸水过程中能形成规整的图案，并总结出了柱状干凝胶膨胀过程的三个阶段：第一阶段径向膨胀伴随着图案的生成；第二阶段径向收缩和纵向膨胀；第三阶段径向再次膨胀。凝胶中水份的含量会影响膨胀的类型：水份含量很少时符合Windle在研究其它材料时提出的CaseⅡ扩散模型，存在一定量水份时为异常扩散（有关结果2002年在Polymer Journal上发表，并为国际同行正面引用）。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 软物质
• 1.2 生物膜
• 1.3 两亲性嵌段聚合物
• 1.4 聚合物刷
• 1.5 凝胶
• 1.6 目的
• 参考文献
• 第二章 动态 Monte Carlo 模拟及相关格子模型
• 2.1 Monte Carlo 模拟方法简介
• 2.1.1 抽样方法
• 2.1.2 Metropolis 重要性抽样方法
• 2.1.3 Metropolis 抽样的动力学诠释
• 2.1.4 时间平均与系综平均
• 2.1.5 Monte Carlo 模拟中的基本算法
• 2.1.6 边界条件和坐标处理
• 2.2 Larson 模型
• 2.3 Larson 模型的单链统计
• 2.3.1 静态性质的统计
• 2.3.2 动态性质的统计
• 2.3.3 单链的塌缩转变
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 周期剪切下嵌段聚合物流变行为的 Monte Carlo 模拟
• 3.1 前言
• 3.2 模型和方法
• 3.2.1 格子链模型
• 3.2.2 流场的引入
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 嵌段聚合物的自组装
• 3.3.2 流场的表征
• 3.3.3 应力张量和动态模量的统计
• 3.3.4 温度扫描
• 3.3.5 标度分析
• 3.3.6 链构象分析
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 聚合物刷流变行为的 Monte Carlo 模拟
• 4.1 前言
• 4.2 模型和方法
• 4.2.1 格子链模型
• 4.2.2 流场的引入和应力张量的统计
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 静态性质的统计
• 4.3.2 周期剪切的流场分析
• 4.3.3 周期剪切的链构象分析
• 4.3.4 周期剪切的法向应力分析
• 4.3.5 稳态剪切分析
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 聚合物囊泡的 Monte Carlo 模拟
• 5.1 前言
• 5.2 模型和方法
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 模拟参数的选择
• 5.3.2 单组分囊泡的模拟与表征
• 5.3.3 双组分囊泡的模拟与表征
• 5.3.4 囊泡形成机理研究
• 5.3.5 囊泡内外层的链迁移
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 第六章 囊泡侧向相分离的 Monte Carlo 模拟
• 6.1 前言
• 6.2 模型与方法
• 6.2.1 格子链模型
• 6.2.2 出芽的弯曲弹性模型
• 6.3 结果与讨论
• B=20%'>6.3.1 φ_B=20%
• B=50%'>6.3.2 φ_B=50%
• 6.3.3 线张力的影响
• 6.3.4 出芽方向分析
• 6.4 本章小结
• 参考文献
• 第七章 干凝胶吸水膨胀的试验观察
• 7.1 前言
• 7.2 试验和方法
• 7.3 结果和讨论
• 7.3.1 凝胶膨胀的图案观察
• 7.3.2 凝胶膨胀的动态过程
• 7.3.3 凝胶膨胀的机理分析
• 7.4 本章小结
• 参考文献
• 简历
• 致谢