聚-(γ-苯甲基)-L-谷氨酸酯的液晶态的分子模拟和密度泛函理论研究

Much attention from researchers is paid on poly-(γ -benzyl L-glutamate) (PBLG) due to its composite properties such as polymer performance, bio-compatibility, non-linear optics. Since the electrospinning method is a key step in the preparation of molecular material, understanding and description of liquid crystalline states of PBLG is of fundamental importance for use and preparation of PBLG polymers and PBLG-based composite material. In present study, we adopt molecular simulation and classical density functional theory to investigate liquid crystalline states of PBLG system. The in-house developed TEAM force field will be used in the atomistic simulation of PBLG system. Based upon results of atomistic simulation, we will develop a coarse-grained force field for PBLG which will be used in coarse-grained simulation for further study of cholesteric states and other liquid crystalline states of PBLG system to examine the effects of composition, polymerisation degree and solvent environment. A general physical model for cholesteric liquid crystals will be constructed in the framework of classical density functional theory based on analysis of simulation data. The general physical model and developed theoretical approach will be combined to study the influence of chain flexibility, molecular pitch, molecular interaction, left/right chirality on the formation of cholesteric states.

聚-(γ-苯甲基)-L-谷氨酸酯(PBLG)由于其生物兼容性以及非线性光学性质等高分子复合性质特别受研究者关注。基于高分子液晶相的纺丝技术是分子材料制备中的关键技术，因此理解和描述PBLG的液晶态对于利用和制备PBLG高分子材料和基于PBLG的复合材料都有重要的意义。在本项目中，我们拟采用分子模拟和密度泛函理论的方法来研究聚-(γ-苯甲基)-L-谷氨酸酯的液晶态。使用研究组开发的TEAM力场对聚-(γ-苯甲基)-L-谷氨酸酯系统全原子分子模拟，并在此基础上开发粗粒化力场。利用粗粒化分子模拟的方法来模拟研究聚-(γ-苯甲基)-L-谷氨酸酯的胆甾相液晶态以及其他液晶态相行为，研究系统组成、聚合度和溶剂环境对于液晶态形成的影响。根据模拟的结果，我们拟在密度泛函理论框架内建立胆甾液晶的一般物理模型，考察模型的性质，如链的柔性、分子内螺距、相互作用强弱、左/右手性等因素对于胆甾液晶态的影响。

本项目使用统计力学、分子动力学和粗粒化分子模型的方法研究了聚-(γ-苯甲基)-L-谷氨酸酯的液晶态的物理化学性质，在以下三方面展开工作：1）开发胆甾液晶的普遍物理模型，预测胆甾液晶的热力学相变以及液晶相的结构；2）发展密度泛函理论描述胆甾液晶的热力学；3）开发高分子粗粒化分子力场，并应用于高分子液晶的分子模拟。在基金的支持下，取得了相应的研究成果。开发了普遍描述胆甾液晶高分子的粗粒化分子模型，拥有螺旋相互作用的柔性链模型（FCh）。通过对于FCh分子模型的分子动力学模拟计算，阐明了高分子主链的刚柔性对于液晶相变起着重要作用，刚性链有利于胆甾相形成，柔性链不利于局部有序的形成。研究也揭示了分子手性和宏观液晶相结构之间的定量关联，分子通过分子相互作用形成组装体，组装体进一步地形成宏观相行为。我们也发展了统计力学密度泛函理论来描述胆甾液晶的热力学，使用微扰法构筑了胆甾液晶的自由能模型，并分析了不同的分子间相互作用对于液晶相变的影响。最后，我们开发了系统化的高分子粗粒化分子力场，通过一系列的模拟，验证了力场的可迁移性以及预测能力。所开发的粗粒化力场可以准确预测单组分高分子体系的热力学、动力学以及高分子的标度性质，也能应用于高分子混合物的热力学、动力学性质预测。本项目研究从微观分子间作用力出发，构建合适的分子模型，结合分子模拟和统计力学理论描述和预测宏观液晶相行为以及结构。三年项目进行期间，已发表论文7篇，但涉及统计力学理论的部分尚未发表，将在未来1-3年内发表。