流场环境下打结高分子链的构象及动力学行为的研究

Knotted polymer chain, with complex topology, is ubiquitous in nature. For knotted DNA and proteins, only if they exist in a fluid environment, can they participate in the life processes. Therefore, studying the conformations and dynamics behaviors of the knotted polymer chain under flow field is of great significance. we adopt molecular dynamics method (MD) combined with multi-particle collision dynamics method (MPCD) to study the influences of the high/low velocity of flow field on the conformations and dynamics processes of the knotted polymer chains with various knot types, and analyze the effects of the fluid mechanics on the research results; We investigate the movement patterns transformation of the knotted polymer chain under complex flow field as well as the influences of flow field environment on the knotted polymer chain’s translocation through a channel; Furthermore, we explore the differences of the conformations and the dynamics behaviors between the knotted linear polymer chain and the knotted ring polymer chain. The study of these properties deepens our understanding of the deformation and dynamics processes of the knotted polymer chain under flow field environment, and improves our knowledge of the physical mechanisms on the life processes execution.

打结高分子链在自然界是普遍存在的，其自身具有复杂的拓扑结构。对于打结的DNA和蛋白质,要实现其生命过程需要流动的体液环境,因此研究流场环境下打结高分子链的构象及动力学行为具有重要意义。项目拟采用分子动力学方法（MD）结合多粒子碰撞动力学方法（MPCD）研究高/低流速的流场环境对不同结点类型的打结高分子链的构象及动力学过程的影响，分析流体力学效应对研究结果的影响；探索复杂流场下打结高分子链的运动转变模式及流场环境对打结高分子链穿孔行为的影响;在此基础上，进一步探讨流场环境下线性打结链与环形打结链之间的构象及动力学的差异。通过这些特性的研究，将帮助我们从深层次理解打结高分子链在流场环境下的形变及动力学过程，从而对生命过程实现的物理机制有一定认识。

近年来，高分子物理科学发展迅猛，在实验、理论、计算模拟方面出了很多具有应用前景的成果，比如, 研究受限环境下高分子的构象及动力学行为，对高分子动力学理论的完善以及在材料设计上的潜在的应用有指导作用,但是，先前的研究者们在模拟高分子时，通常采用相对粗糙的摩擦力来模拟高分子活动的外界环境，而这明显存在误差。随着模拟技术的日益成熟，对高分子的模拟也越来越精确，此研究就是用液体粒子替代简单的摩擦力，从而使得高分子的构象及动力学行为更加精确。主要研究内容即为在流场环境下，高分子链的构象及动力学行为，目前已经研究了柱状受限环境下线形高分子的构象，模拟表明半刚性线形高分子链在柱状管道并不是呈现完美的螺旋结构，而是螺旋状的链束，从高分子构象随时间的演化图可以看出，链长100和链长200的链在形成螺旋结构的过程有明显区别，100的链是从一端逐渐卷成螺旋束，而200的长链是从两端分别向中间各自卷起一个螺旋束，最后两个螺旋束合并成一个螺旋束；并且统计出当圆柱管道半径为3，高分子链长为100，链刚性为200，溶剂密度为0.85时，具有最高的百分比35%，改变链的刚性在80到100之间，溶剂密度为0.85时，最高的螺旋百分比为80%，由此可以看出高分子链在受限圆柱下形成螺旋结构是需要适当的溶剂密度和刚性才能达到较大的螺旋比例。这有助于完善高分子构象及动力学行为理论，并且为材料设计提供理论指导。