纳米粒子在高分子二氧化碳混合物中诱导气泡成核的理论研究

The bubble nucleation of polymers in condensed carbon dioxide (CO2) is of tremendous practical importance in industry due to the widespread use of CO2 as an environmentally benign solvent. A small amount of well-dispersed nanoparticles in polymer matrix may serve as nucleation sites to facilitate the bubble nucleation process, and could improve the efficiency of nucleation and quality of fabricated materials. This project will study the physical process of nanoparticle inducing bubble nucleation in polymer and CO2 mixtures, where the polymer systems includes homopolymer, random copolymer and polymer blends. We will develop a density-functional theory for polymer and CO2 mixtures with dispersing an amount of nanoparticles. By combining the theory with the string method (a steepest descent method), we will calculate the minimum free energy path for nanoparticle inducing bubble nucleation in polymer and CO2 mixtures. We will give a reasonable description for the nucleation process in a molecular detail, and an accurate prediction for some key information like the nucleation rate for the process. The implementation of this project will provide a fundamental theoretical basis and useful suggestion for the relevant experiments and the industrial fabrication of nano-porous materials.

作为环境友好型溶剂，二氧化碳用作高分子发泡剂在工业上得以广泛地应用。 因此，研究高分子二氧化碳体系中的气泡成核具有重要的实际意义。 在高分子二氧化碳混合物中掺杂一定量的纳米粒子可以降低成核能垒，诱导气泡成核，并能极大地改进高分子发泡的效率和制成材料的质量。 本课题将研究纳米粒子在高分子二氧化碳混合物中诱导气泡成核的物理过程，考虑的高分子体系包括均聚物、无规共聚物以及高分子共混物等。 我们将建立掺杂纳米粒子的高分子二氧化碳混合物的密度泛函理论，并将该理论与弦方法(string method,一个最速下降算法)结合起来，计算纳米粒子诱导气泡成核的自由能最可几路径。 我们将在分子尺度合理描述气泡成核的过程，并精确预测成核速率等关键信息。本课题的实施可为相关实验或工业制备纳米多孔材料提供实用的理论基础和指导意见。

研究高分子二氧化碳体系中的气泡成核具有重要的实际意义。本项目建立了二元无规共聚物和二氧化碳混合物的密度泛函理论，考虑了密度泛函理论研究表面干燥的可行性，研究了二氧化碳在限制环境下的密度涨落问题，以及高分子薄膜在表面的稳定性问题。我们发现在疏水型纳米孔中，二氧化碳的密度涨落比主体相高了两个数量级，且高涨落区域可以向纳米孔中心延伸三纳米以上。当压强低于临界压强时，二氧化碳对高分子薄膜起稳定作用。此外，我们还研究了高分子溶液在theta点附近线球转变的动力学特征，发现高分子链的内蕴运动在线球转变点附近有一个临界减速过程。本项目的研究成果可为相关实验或工业制备纳米多孔材料提供实用的理论基础。