双溶剂高分子溶液的monte carlo研究

Block copolymers can self-assemble spontaneously in some selective solvent to form micelles of various morphologies, such as spherical micelles, cylindrical micelles, and vesicles. It is of significant potential practical value when being applied to drug delivery, life science, biomedical science, and micro reactors, etc. The project studies the binary solvent copolymer solution by means of lattice-based parallel tempering monte carlo simulation. The project investigates the dynamic process of micelles formation of the copolymer in the binary solvent, and calculates the "pair-potential energy", such as solvent-solvent, monomer-monomer and solvent-monomer, to reveal the energy composition and relations among them. The project further analyses the content of solvent, the composition of solvent and the selection of different blocks which affects the micelle formation. Eventually, the project summarises the transition of various micelle structures and studies the solvent effect on micelle formation, in order to improve the mechanism of micelle formation for a more complex system. Because of its inherent parallelism, the parallel tempering method is suitable to the multi-core computing platforms, and becomes a useful complement to the existing simulation methods. The simulation results of the project can be verified with the related experimental and theoretical results, and can provide scientific proof for the design and study of the functional materials.

在选择性溶剂中，嵌段共聚物能够自组装形成各种形态的胶束，如球形，柱形以及囊泡。在诸如药物载体，医命医学，生命科学，微电子等领域具有巨大的潜在应用价值。本项目以双溶剂高分子溶液为研究对象，采用基于格点模型的并行回火蒙特卡罗模拟方法进行研究。观察双溶剂条件下嵌段共聚物胶束结构的形成过程，计算溶剂－溶剂、单体－单体、溶剂－单体接触对等"对势"得到系统能量构成，量化其中的竞争关系。进而分析混合溶剂的含量，构成以及对不同嵌段的选择性作用等因素对胶束形成的影响。归纳不同胶束结构之间的转变规律，实现溶剂对胶束形成影响的量化研究，以期完善胶束的形成机理，使之适用于更为复杂的体系。由于并行回火方法与生俱来的并行特性，十分适合日益普及的多核计算环境，是对现有模拟程序算法的有益补充。项目的研究成果与相关实验和理论相互验证，为促进新型功能材料的设计和研究提供科学依据。

嵌段共聚物是由具有不同化学性质的单体组成的两条或多条线形均聚物高分子链通过共价键连接而成的一类特殊高分子。在实验中，共聚物溶与共溶剂和选择性溶剂形成高分子溶液。共聚物可以自组装形成不同的聚集体或胶束结构，如球形，柱形以及囊泡。以发表的相关理论和计算机模拟研究多集中于单一溶剂模型。忽略了溶剂构成对共聚物自组装的影响，有些实验信息无法反应，关于胶束形成物理机制的相关理论有待进一步完善。本项目利用蒙特卡罗模拟方法研究双溶剂环境下嵌段共聚物的胶束结构形成。计算溶剂－溶剂、单体－单体、溶剂－单体接触对等“对势”得到系统能量构成，量化其中的竞争关系。初步构建了基于共聚物浓度与选择性溶剂的胶束相图。发现了两种不同形成囊泡的初始结构，片状（sheet）形貌和笼型（cage）形貌。不同的初始结构与溶液中共聚物含量有关。并分析了在确定溶剂作用前提下，共聚物浓度和选择性溶剂含量对囊泡（vesicle）大小的影响。在此基础上，初步研究了溶剂作用力对共聚物胶束形貌的影响。研究结果有助于对胶束形成机制的理解，并为新型功能材料的设计和研究提供参考。