半刚性环形高分子链构象及其动力学行为的研究

Ring polymers are formed by the simple operation of joined together the free ends of a polymer chain. They occur either naturally_ the most prominent example being circular DNA_ or they can be synthesized both by chemical and by biochemical procedures. The behavior of ring polymers in melts is a yet unsolved issue in polymer physics, especially for semiflexible ring polymers, and it has stimulated much theoretical and experimental work in the last decades. In this project, the conformations and their dynamical behaviors of semiflexible ring polymers are investigated by using molecular dynamics simulation methods, and the effects of chain stiffness on the threading conformations are explored. The behaviors of confined semiflexible ring polymers are also studied by using molecular dynamics simulation, and the relationships between the stack conformations and confinement condition are quantitatively examined. The glassy dynamical behaviors for nanorods in semiflexible ring polymer nanocomposite melts are also probed and the effects of nanorods on the threading degree of ring polymers are revealed. By employing hard particle Monte Carlo and GPU methods, phase behaviors of nematic and smectic and disordered arrested states for stiff ring polymer chains are discussed. The self-assembly behaviors for semiflexible ring diblock copolymers are also explored theoretically by using self-consistent field theory, and our aim is to discover the different critical values of (χN) for semiflexible ring polymers. We hope that our investigation can provide some insight into the complicated conformations and dynamical behaviors of semiflexible ring polymers in melts.

半刚性环形高分子链广泛存在于生命体及合成聚合物中，特殊的链拓扑结构以及链刚性深刻影响着高分子链的构象及其动力学行为，因此深入了解其特殊的链构象及其动力学过程对于帮助了解生命体及复杂高分子链性质具有重要科学意义。拟采用分子动力学方法研究环形高分子链的缠结度对链刚性的依赖关系。研究半刚性环形高分子链在受限条件下的构象，找出半刚性环形高分子链局部堆状结构与受限条件的关系。研究纳米棒在纳米棒/半刚性环形高分子链体系中的熵相互作用及其特殊扩散行为，分析纳米棒的存在对环形高分子链微观构象及其动力学行为的影响。采用硬粒子Monte Carlo方法研究刚性环形高分子链的密堆积方式，讨论形状熵在向列相或者近晶液晶相形成过程中所起的重要作用。采用自洽场理论方法研究半刚性嵌段环形高分子链相分离情况，找到链刚性与相分离临界指数的定量关系等。通过这些研究能够对半刚性环形高分子链构象及其动力学行为有较全面的了解。

半刚性环形高分子链广泛存在于生命体及合成聚合物中，特殊的链拓扑结构深刻影响着高分子链的构象及其动力学行为，因此深入研究其特殊的链构象及其动力学过程对于帮助了解生命体及复杂高分子链性质具有重要科学意义。我们采用分子动力学方法研究了半刚性环形高分子链/线形高分子链共混体系中的有序结构，发现在环形高分子链适中含量时、在一定长度的刚性线形高分子链共混体系中半刚性环形高分子链能够形成非常有序的相结构。研究了在球受限条件下由长链和短链构成的二元半刚性环形高分子链共混体系，发现在熵诱导下半刚性环形高分子长链分布在球表面，而半刚性环形高分子短链则均匀分布在球内部。研究了在椭球受限条件下由半刚性环形高分子链和线形高分子链组成的共混体系，发现在柔性的线形高分子链中半刚性环形高分子链分布在椭球表面，但在半刚性线形高分子链中半刚性环形高分子链均匀地集聚在主赤道面表面上。详细讨论了线形高分子链/半刚性环形高分子链复杂体系中穿透(threading)行为，发现其穿透能力依赖于环形高分子链的拓扑结构以及链的刚性；拓扑结构越复杂，穿透能力越弱。链的刚性越强，对于无打结环形高分子链，其穿透能力越强；但对于打结环形高分子链，存在着特殊的非单调关系。研究了环形高分子短链在机械互锁分子中的滑动动力学行为，发现环形高分子短链的滑动过程严重依赖于机械互锁分子主链的刚性以及机械互锁分子主链上环形高分子短链的数目。讨论了环形高分子短链在嵌段共聚物主链上的滑动动力学行为，发现滑动动力学过程严重依赖于嵌段共聚物中重复单体的长度以及嵌段共聚物的相对含量。随着重复单体长度的增加，扩散系数D按指数幂规律降低；同时在对称嵌段共聚物上其滑动动力学过程最慢。研究了离子溶液中半刚性环形聚电解质链的构象转变，发现了半刚性环形聚电解质链的复杂构象依赖于环形聚电解质链的链刚性与电荷间相互作用的竞争，最后存在着半刚性环形聚电解质链的扁圆状/棒状/球状等构象转变。通过这些研究能够帮助我们加深对半刚性环形高分子链构象特殊性的认识。