线性与星型高分子链在网格模型中的分子动力学研究

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缠结高分子液体的复杂粘弹性与微观结构和动力学之间的关系是材料科学和生物物理学中的关键问题。本质上,聚合物系统中的缠结是瞬态拓扑约束,其起因于涨落中的聚合物分子的主链无法相互穿透的限制。在过去的几十年中,基于平均场近似的管道理论的提出与发展使缠结聚合物体系的研究成为可能。管道理论提供了系统的方法来解释和描述聚合物系统的流变特性。在本工作中,我们使用了基于管道理论,粗粒化近似以及分子动力学模拟的计算机模拟方法处理了一些在缠结高分子流变学中的问题。第一章介绍了高分子研究的背景以及一些基本概念,然后引入了高分子链的相关性质,简单总结了计算机模拟研究的发展与相关问题,同时介绍了高分子的理论基础以及本研究所使用的模型。第二章介绍了一种新的基于熵力测量来推导高分子缠结系统中的重要参数,管道直径的方法(称为“熵力分析方法(EFA方法)”)。我们利用网格模型所模拟出的缠结环境基于该方法测量了对应于各种不同链长与网格尺寸(缠结程度)下的管道直径的数值。通过与其它方法测量出的数值相比对,EFA方法提供的数据展示了更好的精确性。第三章介绍了在网格模型中三支链星型高分子的动力学模拟,我们记录了星型链的扩散系数D,星型聚合物臂的弛豫时间?arm以及一些对应于不同支链长度的其他参数。通过分析这些数据我们发现了不符合理论定性预测的结果。在第四章中我们介绍了一种基于网格模型结构的特殊装置,在该装置中,生物大分子转移研究中的拓扑排斥作用与管道理论中的熵力相互竞争。这两种不同理论给出的高分子链转移的预期结果彼此不一致,因此我们将此装置给出的问题称为“转移悖论”。我们通过计算机模拟方法研究了这种设备中高分子链的动力学,并提出了几种可能的模拟结果。令人惊讶的是,通过仿真获得的结果并不完全符合所有预期结果。为了解释这种现象,我们提供了与我们的模拟结果相匹配的合理的解释。同时,该解释为生物物理领域的转移装置的设计提供了可能的解决方案。
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