仿弹性蛋白高分子材料的粘弹性力学性能研究

We will perform the mechanics test on biomimetic elastins under the condition of complicated stress states and with or without water to obtain the viscoelasticity property, its dependence on walter content, temperature and microstructure. Based on the polymer chain strucutre, we will first build the model of mixing the water and polymer chains for molecular dynamics simulation. The model will be empolyed to investigate the deformation of chains, interaction between chains and interaction between water molecule and polymer chains. Based on the molecular dynamics simulation, the interaction energy between water and polymer chains will be computed. The statistical model for a single polymer chain under constraints also will be built. Inspired by the homogenization method in continuum mechanics, we then will do statistical average over polymer chains to obtain the constitutive relations for bulk biomemetic elastins. The high efficient numerical methods will be proposed to avoid the difficulty in obtaining the close solution. Through the study, the biometic elastins will be efficiently characterized. It can provide guidance on chemical synthesis to increase the yielding and stability of sythesis. It may also open a new way on biological and medical applications, energy havesting and complex struture design in engineering applications.

针对仿弹性蛋白高分子材料在复杂受力和含水及无水条件下的粘弹性力学性能进行研究。基于仿弹性蛋白高分子材料的微观结构，建立高分子链和水混合的分子动力学模型，研究仿弹性蛋白高分子材料在含水或无水情况下的高分子链变形、链间相互作用及水和高分子链间的相互作用。根据分子动力学模拟结果，进行统计分析,计算水和高分子链的相互作用能，并建立单高分子链受动态约束下的统计力学模型。借鉴连续介质力学的均匀化方法，统计平均高分子链的力学行为，建立材料的宏观本构模型，最后将其与实验测试结果进行对比分析。同时提出高效的数值计算方法，以解决统计平均过程难以得到封闭理论解的问题。最终实现仿弹性蛋白高分子材料力学性能的有效表征。研究结果可为化学合成仿弹性蛋白高分子材料提供指导，并为其在生物医疗、能源收集及工程应用中的复杂结构设计提供理论依据。

仿弹性蛋白是模仿天然弹性蛋白的含水高分子材料。其高分子链和水分子存在复杂的交互作用。其宏观力学性质，主要表现为超强的弹性和粘性。对其粘弹性力学性能的全面刻画和表征，具有重要的理论和应用意义。本项研究结合实验、分子动力学和宏观力学模型全面刻画了含水高分子材料的粘弹性力学性能,进行了如下研究：.1. 实验测试和表征. 申请人和天津大学化工系教授罗加严合作，制备了不同结构和含水量的含水高分子材料，在不同含水量下对不同结构的含水高分子材料的拉伸/压缩特性和破坏模式进行测试，获得不同含水量下弹性参数、强度和破坏模式等随含水量的变化规律；在不同含水量下，进行加载卸载实验，获取材料的粘性性质。并进行了含水高分子材料的吸水测试。.2. 基于分子动力学模拟的微观物理机理研究和参数获取. 基于单分子链模型生成了多高分子链模型。基于多高分子链模型，采用分子动力学软件Material Studio中高分子链之间、水分子以及水分子和高分子相互作用势函数，应用退火优化技术，进行了分子动力学模拟。对分子动力学模拟结果进行统计分析，分析不同含水量下水和高分子链相互作用的物理机理，并获取宏观力学模型所需的定量参数。.3. 宏观力学模型. 建立单高分子链在其他链约束下的统计力学模型，获取单链力和伸长之间的关系。利用单链力和伸长的关系，对多链的力学行为进行统计平均，获取多高分子链的平均自由能。将水和高分子链相互作用自由能和多链平均自由能叠加，与宏观变形联系，建立含水高分子材料的粘弹性宏观本构模型。. 本研究将实验、数值计算和理论推导相结合，在多尺度计算模拟框架下研究了含水高分子材料的粘弹性力学性能，为如何从底层高分子链的运动来描述高分子材料的宏观粘弹性力学性能这一难题提供了新思路。本项目研究工作发表在包括软物质材料的顶级期刊，Advanced Energy Materials、Soft Matter，固体力学顶级期刊JMPS,IJP等重要国际期刊，发表标注资助号的期刊论文15篇。