高分子结晶的分子动力学模拟及新算法探索

Polymer crystallization is one of the fundamental research fields of polymer science, including two key topics: crystal structure and its formation mechanism, and the relationship between microscopic crystal structure and macroscopic properties. In this proposal, we will carry out large-scale molecular dynamics simulations to study the crystal structures of polymers and the structural evolution by using parallel and GPU accelerated codes. We will study the relationship between interfacial stress and interfacial structure by calculating local stress tensor. We will study the entanglement effect on crystallization mechanism and on macroscopic mechanic properties via the analysis of local entanglement distribution. The analysis of local entanglements and the calculation of local stress tensor can provide us quantitive information at molecular scale about the crystallization mechanism and the cross-scale relationship between microscopic structure and macroscopic mechanical properties, therefore it is the characteristic of this proposal from other projects and is the core innovation point. The expected results will deepen the understanding of polymer crystallization, establish a physical understanding from microscopic crystal structure to mesoscopic stress distribution to macroscopic mechanical properties, and provide a theoretical support for precise control of the structure and properties of polymer materials. We will also explore the application of machine learning to analyze the chain folding structure and chain dynamics in polymer crystallization.

高分子结晶学是高分子科学的核心和经典领域之一，包含两大核心研究内容：结晶结构及其形成机制、结晶结构与宏观性能的关联。本项目拟运用大规模并行和GPU加速的分子动力学来模拟高分子的结晶结构及其结构演化。通过计算局域应力张量的方法来研究界面应力与界面结构的关系。结合局域缠结分布来分析缠结对结晶机制及宏观力学性能的影响。局域缠结分析和局域应力张量计算为在分子尺度上深入理解高分子结晶结构的形成机制以及从微观结晶结构到宏观力学性能的跨尺度关联提供定量分析依据，是本项目的特色和核心创新点。项目成果将深化对高分子结晶机制的认识，建立一个从结晶结构到内部应力分布再到宏观力学性能的具体物理图像，为对高分子材料结构和性能的精准调控提供理论支持。此外，项目将探索使用机器学习来分析高分子结晶中的链折叠结构及链动力学。

高分子结晶是高分子物理的经典研究问题之一,具有重要的科学意义和工业应用价值。本项目围绕高分子的结晶结构与结晶机制，展开了一些列的分子动力学模拟研究。对烷烃/聚乙烯液滴进行了结晶模拟研究，我们分析了液滴结晶过程中取向对称性破却路径，发现取向熵能有效描述初始成核过程；长链高分子液滴程多层结构，高分子的链结构、缠结分布、结晶结构、链取向、以及局域应力分布均程多层结构且相互关联。对聚乙烯单链进行了结晶模拟，研究了其中链折叠模式，建立了链结构随链长-温度的准相图。对聚乙烯纳米压印中的结晶结构与缠结分布、表面形状精度以及局域应力分布进行了模拟研究，发现局域应力的区域分布特征，提出了控制形状精度的最小表面模型。对聚乙烯纳米纤维的力学响应进行了拉伸分子动力学模拟，阐明了其中构象熵效应以及结晶对力学响应的共享。对空间立构对聚丙烯、聚丁烯-1熔体中链刚性影响做了细致的模拟研究，发现在立构掺杂位点附件持续长度增高的原因是空间立构位阻对二面角分布的影响。对不同拉伸力条件下聚丙烯、聚丁烯-1中的链内螺旋有序进行了模拟研究，绘制了螺旋有序随温度-拉力的伪相图。对结合分子动力学和蒙特卡洛方法的混合算法以及机器学习对链构象分类进行了探索研究。本项目发表SCI论文7篇，相关研究内容对加深高分子结晶的理论理解具有指导作用。