不同链拓扑结构高分子复杂体系的输运与分离过程的模拟研究

本基金申请课题主要研究链不同拓扑结构高分子的输运与分离过程，着重发展分子动力学（MD）方法和耦合分子动力学-格子玻尔兹曼（MD-LB）方法，分析空间受限条件下高分子链的静态和动态性质，在分子水平上阐述空间受限对高分子链行为的影响规律；探讨不同链结构（线形、环形、支化及树枝形等）高分子进入与穿越受限空间的输运过程，获得上述结构高分子进入受限空间的临界条件和穿越受限空间的穿越时间、分布状态等性质同模拟体系的温度、粘度、溶剂性质、管道尺寸等因素的依赖关系；研究电场或剪切场条件下不同链结构高分子的输运过程，揭示外场作用对高分子流动行为影响的一般规律。在上述研究的基础上，建立高分子分离模型，分析不同拓扑结构高分子输运行为的差异，获得多拓扑结构高分子复杂体系的分离条件，为实验上实现不同链结构高分子材料的分离提供可靠的理论依据。

按项目计划书开展研究工作。发展了非平衡态分子动力学模拟方法和非平衡态耦合分子动力学/格子玻尔兹曼模拟方法，对多种拓扑结构的高分子进入并穿过受限空间的穿越过程以及在受限空间中的输运行为进行了模拟研究，得到了不同拓扑结构高分子穿越受限空间的临界条件及穿越相图，明晰了链拓扑结构、链聚合度、受限条件等因素对高分子受限穿越行为和受限输运行为影响的一般规律，获得了不同拓扑结构高分子差别穿越受限空间的分离相图，完成了研究内容，达到了预期目标。取得了如下研究成果： . (1)发展了适于研究外场诱导流体流动行为的非平衡态分子动力学模拟方法（NEMD）和非平衡态分子动力学/格子玻尔兹曼模拟方法（NE-MD/LB），并分别应用这两种模拟方法研究外场诱导下高分子流体的流动行为，获得了与泊肃叶流一致的速度曲线和温度曲线，充分证明了这两种模拟方法的有效性。(2) 应用NE-MD/LB模拟方法研究线形、环形和多臂星形高分子进入并穿过受限空间的穿越行为，发现不同的限制条件能够诱使高分子以单链模式、双链模式、多链模式和拉伸模式四种状态通过受限空间，并分别得到了线形、环形和多臂星形高分子能够穿过受限空间的临界条件及穿越相图，揭示了链拓扑结构、链聚合度、受限条件等因素对高分子受限穿越行为影响的一般规律，获得了上述拓扑结构高分子差别通过受限空间的分离相图，这一结果可以为实现不同拓扑结构的高分子的分离提供理论依据。(3)利用NEMD和NE-MD/LB方法，研究了线形和环形高分子在管道中的受限输运行为，得到了线形和环形高分子的尺寸、形状、平均流速以及迁移行为的外场强度依赖规律，明晰了不同链拓扑结构高分子的受限输运行为的异同点。(4)基于平衡态分子动力学模拟，分析了受限体系中高分子链的静态性质和动态性质随受限程度变化关系,发现两者呈现截然不同的受限依赖行为；随受限程度的降低，高分子的尺寸迅速减小，直至出现一低谷区，而高分子的扩散行为则呈现单调衰减的受限程度依赖规律，通过对体系的径向分布函数进行系统分析，明确了高分子链的静态性质和动态性质呈现差别衰减行为的内在本质。.2012-2014年共发表SCI收录论文4篇，在国际会议上作口头报告1次，墙报1次，在国内会议作墙报2次，协助培养博士研究生1名，硕士研究生1名。