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39420字硕士毕业论文杂臂星形嵌段共聚物在稀溶液中自组装的计算机模拟

论文类型:硕士毕业论文
论文字数:39420字
论点:共聚物,动力学,方法
论文概述:

由于其独特的分子构型,这些分子有着与线型嵌段共聚物不同的物理与化学性质。因此在本论文中,我们主要针对杂臂的星型嵌段共聚物的自组装进行模拟研究,来观察其在多种热力学条件下自

论文正文:

第一章前言

1.1计算机模拟概述
分子性质的预测主要使用理论作为物质的近似表达式。此时,大多数物质的性质是根据近似理论(如电解质的德拜-哈克理论,玻尔兹曼方程用来描述稀薄气体的输运性质)来预测的。然而,除了最简单的分子,对所有分子相互作用的理解是有限的。此外,这种理论研究往往需要大量的数学推导,即使获得最终结果,实验科学家也难以理解和应用。显然,在不依赖近似理论的情况下,对给定的模型系统进行更精确的计算,并以更直观的方式给出计算结果是非常重要和有意义的。计算机模拟可以使我们做到这一点。首先,仿真系统的计算结果可以与实际系统的结果进行比较。如果有任何不一致的地方,模型可以被认为是不合适的。其次,给定模型系统的模拟也可以与同一系统的理论预测相比较。如果发现该理论与模拟不一致,那么该理论可以被认为是有缺陷的[1,2]。此外,与实验科学相比,计算机模拟具有成本低、无污染、不受不确定因素影响、能研究某些极限条件的系统等优点。这里,我们主要关注聚合物系统的计算机模拟。对于高分子材料,计算机模拟不仅可以提供定性描述,还可以定量计算和模拟聚合物溶液和熔体的各种物理化学性质,为实验科学家提供非常必要的参考信息和理论指导。计算机模拟在聚合物中的应用从20世纪60年代开始发展,并达到了一个新的阶段。首先,计算机硬件取得了很大进步。从单核处理器到多核处理器,再到大型集群和图形处理器的使用,计算效率提高了几个数量级。更重要的是,新的计算机模拟技术和方法的不断发展,无论是在计算空和时间尺度上,还是在分子物理和化学性质的计算上,使得聚合物体系的计算机模拟与实验工作和理论
1.2 GPU的高性能计算及其在分子模拟中的应用
GPU是图形处理单元的简称,最初用于渲染计算机游戏、图形等。现在它已经成为科学应用的强大计算工具。到目前为止,GPU已经经历了几代人的发展。每一代都比前一代有更高的性能和更好的可编程架构。同一时期,图形处理器的单精度浮点运算能力是主流处理器的10倍左右,而同一时期图形处理器的内存带宽是主流处理器的5倍左右。2006年,随着支持DirecX 10的图形处理器的发展,基于图形处理器的图形处理单元(GPU)上的通用计算得到了一定的普及。英伟达在2007年推出了CUDA(计算统一设备架构),这是第一个可以使用程序语言在没有图形的情况下进行计算的开发环境[12–14]。经过几年的发展,CUDA在支持GPU方面的性能有了显著提高。由于其在性能和成本上明显优于传统的中央处理器,CUDA的引入引起了学术界的热烈反响。越来越紧密地结合起来。
对于聚合物体系,经典模拟方法主要包括蒙特卡罗方法(MC)和分子动力学模拟(MD) [1,3–5]。蒙特卡罗方法产生大量随机数,使粒子在系统中随机运动,并结合统计力学的概率分布原理,得到系统的热力学性质。然而,这种粒子的随机运动不符合物理学的运动原理,因此很难准确地获得仿真系统的动态过程。分子动力学模拟方法基于经典牛顿力学,通过求解系统中粒子的运动方程来模拟系统的动力学过程。与蒙特卡罗方法相比,分子动力学方法计算的系统中粒子的运动具有正确的物理基础,同时可以更准确地给出系统的动力学和热力学性质。因此,它被广泛应用于金属和非金属材料、聚合物体系和生物体系的研究。然而,多维方法和多尺度方法都是微观模拟方法。来自空的上标度小于100埃(),时间标度为纳秒(ns),这与聚合物体系中重要物理现象的标度仍有一定距离。在这种背景下,一些中尺度的计算机模拟方法如耗散粒子动力学(DPD)、布朗动力学模拟(BD)、晶格玻尔兹曼(LatticeBoltzmann)、LB)等粗粒度模拟方法开始出现,并被应用于高分子和生物学等高分子系统的研究中,[6–11]。本文的主要方法是耗散粒子动力学和布朗动力学。这两种方法都是基于粒子的模拟方法。对粗粒子系统(即多个原子被视为一个粒子)进行计算机模拟,从而不仅可以研究更多的粒子系统,而且可以更长时间地模拟系统中粒子的行为。二者的主要区别在于,在聚合物溶液的计算中,耗散粒子动力学计算引入了流体动力相互作用(HI)。每个聚合物粒子都受到所有溶剂粒子共同作用的排斥力和摩擦力,而布朗动力学计算系统中粒子的运动来自粒子自身的随机作用和独立作用的摩擦力,没有实际的溶剂粒子。耗散粒子动力学计算系统更接近实际的聚合物溶液系统,而布朗动力学中的隐式溶剂模型更节省计算成本。

[3]

第2章理论基础和模拟方法介绍

在本文的研究工作中,我们主要采用布朗动力学方法和耗散粒子动力学模拟方法来模拟相关的物理系统。在这一章中,我们对论文中使用的两种方法和高分子物理中的链模型进行了系统的概述。第一部分介绍了分子动力学方法的基本原理、分子力场和积分算法。第二部分主要介绍布朗动力学方法的基本原理及其在聚合物溶液中的应用。第三部分系统介绍耗散粒子动力学方法的基本理论及其与弗洛里-哈金斯平均场理论的内在联系。在第四部分,我们介绍了描述聚合物物理中聚合物链动力学的几种经典模型。

2.1粗粒化分子动力学模拟和伦纳德-琼斯势介绍
分子动力学方法是一种用于计算多体系统平衡和输运性质的方法,该方法遵循经典牛顿力学定律[1,4]。这是一种在原子和分子水平上的计算机模拟方法。在所有原子的分子动力学模拟中,由于每个原子由一个粒子表示,积分步骤为飞秒量级(1飞秒=15秒),以这种方式研究的空和时间尺度小,计算效率低。我们可以通过粗化技术将许多原子或分子粗粒成一个粒子(珠),从而能够模拟更大规模的系统。

第3章AmBn 2异臂星形嵌段共聚物........27
3.1导言.......273.2研究方法和模型构建.......27
3.3结果和讨论.......29
3.4本章的结论.......36
第4章不相容星形嵌段共聚物....39
4.1导言.......39
4.2研究方法和模型构建.......40
4.3结果和讨论....42
4.3.1星形嵌段共聚物自组装动力学........42
4.3.2星形嵌段共聚物中的支链数量....46
4.3.3软质两栖粒子的变形性....48
4.3.4星形嵌段共聚物两种组分的不相容性......48
4.4本章结论......52
第5章不同溶剂中的杂臂星形嵌段共聚物.......55[/溴/]5.1导言.......55
5.2研究方法和模型构建.......56
5.2.1分子模型和力场........56
5.2.2弗洛里指数与溶剂环境........57
5.3模拟结果和讨论........58
5.3.1选择性溶剂不同溶剂环境下的异臂星形嵌段共聚物.......58
5.3.2异臂星形嵌段共聚物.......60
5.3.3亲水支链和疏水支链长度不相等.......65
5.4本章的结论.......67

结论

利用陈等人的聚苯乙烯-PEO模型和力场,研究了异臂星形嵌段共聚物PS5-PEO5和线性嵌段共聚物聚苯乙烯-PEO在胶束化过程中的差异。发现PS5-PEO5异臂星形嵌段共聚物需要较长的冷却时间才能在不同的冷却速率下达到稳定的胶束结构,即较低的冷却速率。在相同的条件下,我们发现PS5-PEO5杂臂星形嵌段共聚物自组装形成的聚集体的平均尺寸和最可能的分布仅为PS5-PEO二嵌段共聚物聚集体的一半左右,这与实验结果一致。这是由于异臂星形嵌段共聚物独特的“预组装胶束”分子结构和更拥挤的链环境。通过计算两种嵌段共聚物形成的胶束的尺寸分布,发现PS5-PEO5异臂星形嵌段共聚物的组装更容易形成尺寸和均匀性可控的胶束聚集体。通过观察两种嵌段共聚物在胶束化过程中链构象的变化,可以发现异臂星形嵌段共聚物的链在模拟开始时延伸得更多。然而,在冷却过程中,线性嵌段共聚物的嵌段回转半径将跳跃,跳跃后,回转半径将大于异臂星形嵌段共聚物中相应的分支。

参考[/BR/] [1]弗里德兰,斯密特。2001.
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