高分子链在表面吸附和扩散的计算机模拟研究

The adsorption process of a homopolymer on the surface with randomly distributed adsorption clusters is simulated using dynamic Monte Carlo method. We study the effect of randomly distributed adsorption clusters on polymer conformation, and analyze the law of adsorption transient response. We simulate the diffusion process of homopolymers on surfaces randomly distributed with adsorption clusters, analyze the correlation between properties of adsorption clusters and anomalous subdiffusion of polymers, explore the physical reason for polymer subdiffusion, and reveal the new law of polymer diffusion. The simulation results can explain the experimental phenomena, and provide simulation evidences for the establishment and improvement of the theories of polymer adsorption and diffusion.

用动力学Monte Carlo方法模拟均聚高分子在随机吸附团簇分布的表面上的吸附过程，研究随机分布的吸附团簇的性质对高分子构象的影响，分析高分子吸附瞬态响应的规律。模拟均聚高分子在随机吸附团簇分布的表面上的扩散过程，分析吸附团簇的性质和高分子异常亚扩散的关联，探索引起高分子亚扩散的物理原因，揭示高分子扩散的新规律。模拟结果可以解释实验现象，为建立和完善高分子吸附和扩散理论提供模拟依据。

高分子链在表面的吸附和扩散是生物细胞中的普遍现象。本项目采用动力学蒙特卡罗模拟研究了均聚物链在具有吸附团簇的表面上的吸附和扩散过程。在具有随机吸附点的表面，我们观察到高分子链的临界吸附和吸附诱导的从三维紧凑球状到二维紧凑饼状的结构相变。虽然吸附时间随着吸附点密度ρ的增加而减小，但是吸附时间在较小的ρ随着表面吸引强度的增加而增加，在较大的ρ随着表面吸引强度的增加而减少，这说明吸附机制与表面性质有关。吸附高分子链的表观尺寸随着ρ的增大而减小，这是由于表面吸引能与高分子构象熵之间的竞争。吸附高分子链表现出异常亚扩散，和均匀表面上的正常扩散不同。总表面吸引能的涨落更大，随机分布的吸附团簇困住了吸附链节更长时间。在由块状吸附团簇和块状中性团簇组成的棋盘图案表面上，和由周期性分布在中性区域的补丁状吸附团簇组成的补丁图案表面上，我们分别估计了临界吸附温度和模式识别温度，也给出了相图，包括脱附态、吸附态和识别态。吸附高分子链表现出正常扩散，而识别高分子链表现出异常亚扩散。我们也发现在具有随机吸附团簇的表面上的吸附高分子链表现出异常亚扩散。我们的模拟结果可以解释DNA在脂质膜上吸附和扩散的实验观察，有助于软凝聚态物理和生物技术的基础研究。