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本文使用基于COMPASS力场的分子动力学模拟方法研究了五种低聚物和单壁碳纳米管的相互作用,在原子和分子的层次上来考察均聚物单体间的键接方式和链段的构象对聚合物与单壁碳纳米管之间物理吸附影响。
本文首先简要地介绍了碳纳米管与聚合物的基础知识和近年来碳纳米管聚合物超强复合材料研究领域的一些重要研究成果和进展,并提出本文的研究内容以及目的和意义。其次阐述了系综理论和Nose-Hoover等温分子动力学方法以及分子动力学模拟的基本理论,接着介绍了力场方法和COMPASS力场。再次,阐述了单壁碳纳米管与低聚物相互作用体系的构建和分子动力学模拟的实施细节,并较详细地给出各个体系的模拟结果和分析讨论。最后,给出研究总结以及工作展望。
本文给出了五种低聚物和(10,10)单壁碳纳米管相互作用体系在400K时的相互作用能曲线、界面结合能以及相互作用图片,并对这些模拟结果作了较详细的分析。我们认为,在400K时就低聚物在单壁碳纳米管表面的吸附形态而言,聚乙烯倾向于取伸展的形态,聚丙烯和聚苯乙烯倾向于取蜷曲的形态;所有的聚对苯乙炔和除某些特殊构象外的所有聚苯乙炔都倾向于取螺旋缠绕的形态。其中聚对苯乙炔的缠绕程度和其单体间的键接方式有关系,头头相连的聚对苯乙炔的缠绕最强。在400K时就各低聚物和单壁碳纳米管的吸附强度而言,聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚苯乙炔和聚对苯乙炔依次增强;其中聚丙烯、聚苯乙烯以及聚对苯乙炔和单壁碳纳米管的吸附强度受单体间的键接方式以及链段的构象这两个因素的影响很小,但是聚苯乙炔和单壁碳纳米管的吸附强度却强烈地受到此二因素的影响,通过选择合适的单体间的键接方式以及链段的构象可以获得对单壁碳纳米管有强烈缠绕形态和较强吸附强度的聚苯乙炔结构。
另外,对于类似于聚丙烯和聚苯乙烯的非共轭聚合物,我们发现它们在单壁碳纳米管表面的吸附形态和吸附强度与它们的初始构象以及它们相对于单壁碳纳米管的初始位置无关,并给出了理论解释。在利用分子动力学模拟对某个分子进行构象搜寻时,我们认为如果把此分子和其它的分子组成相互作用体系再进行模拟,可以越过较高势垒而得到此分子的一些特殊的构象。