嵌段共聚物自组装行为与聚电解质单链构象的蒙特卡罗模拟

摘要

嵌段共聚物是软物质家族的重要成员，由于其能够在纳米尺度上自组装成丰富的结构因而具有巨大的潜在应用价值，从而引起科学家们的广泛兴趣。嵌段共聚物的空间受限可以使材料呈现在未受限时不能形成的新型结构，提供了更多应用的可能性。很多聚合高分子和生物高分子都是带电高分子或聚电解质，其性质与电中性高分子差别很大。聚电解质的尺寸在改变电离条件或温度时有非常大的变化。静电相互作用对该性质起着决定性作用，而聚电解质链内的静电相互作用可以由凝聚的反离子数量来调节。无论从理论还是应用角度来讲，对嵌段共聚物自组装行为与聚电解质链构象的研究具有重要意义。
　　 本论文分别采用模拟退火和并行回火蒙特卡罗方法对基于格子模型的嵌段共聚物多链体系自组装行为和聚电解质单链构象进行了研究。在并行回火方法的具体实现上，还提出了相关参数的优化选择方案，并通过对Ising模型体系和一维函数体系的模拟进行验证。
　　 在第一章中，首先对论文的选题背景作了介绍。其次，对论文中需要用到的统计抽样方法作了概述，包括蒙特卡罗方法、模拟退火方法、并行回火方法、误差估计方法和直方图方法等。然后，对聚合物体系的分子模拟方法、格子链模型和相关统计量作了概述。最后，对本论文的结构安排作了说明。
　　 在第二章中，采用模拟退火方法研究了软受限条件下两嵌段共聚物自组装行为和对称两嵌段聚合物在基底吸附(一维受限)条件下的自组装行为，发现了许多新奇的稳定形态结构。尤其是对于软受限问题，我们提出一个新的方法用于研究软受限条件下嵌段共聚物的自组装行为--通过不良溶剂中聚合物微滴的形成实现软受限。通过改变聚合物与溶剂的相互作用、单体浓度和不同嵌段间的排斥相互作用，我们预测出许多具有不同外形和内部结构的共聚物状聚集体，如包含堆积层结构的长椭球状聚集体、具有六角堆积圆柱结构的扁椭球状聚集体、内部结构呈圆环或螺旋状的轻微伸长球状状聚集体。发现聚集体的内部形态很大程度上由聚合物的体相结构和其与溶剂的相互作用的竞争决定。当内部形态是各向异性，并且聚合物与溶剂的相互作用较弱的时候形成非球状相。研究结果表明在不良溶剂中嵌段共聚物微滴的形成是研究软受限条件下共聚物自组装行为的有效方法。
　　 在第三章中，主要着眼于并行回火方法实现时的参数优化问题。首先通过具体模拟实验，发现并行回火方法较模拟退火方法具有更高的统计抽样效率。然后针对并行回火方法进一步分析，提出副本交换过程对统计抽样产生局域加速作用和回火加速作用。基于以上研究结果对并行回火方法所需若干参数提出优化方案，包括温度范围、副本配对策略、温度分配、副本尝试交换间隔和副本数量。最后，简单介绍了并行回火方法多线程实现的特点和方法。
　　 在第四章中，采用并行回火方法，利用Ewald求和方法计算长程相关静电能对聚电解质单链的构象问题进行了研究，包括柔性聚电解质单链构象转变、聚电解质单链在无盐溶液中的线团-液滴相交及链尺寸与链长的标度关系、盐浓度和价态对聚电解质单链构象的影响。研究结果表明对于无盐溶液，强带电单链在不同温度下可表现出多种构象形态，并且通过降温可致其先后产生两次相变，第一次相变是连续的反离子凝聚相交，而第二次相变是不连续的线团-液滴相变。在液滴态时，反离子和带电链节分别密堆积为三维的维格纳晶体。同时通过有限尺寸外推方法，得到了对应于不同反离子浓度的热力学极限条件下的线团一液滴相交的相变温度，并讨论了有限尺寸效应对该相变的影响。在线团-液滴相变点周围，对链尺寸与链长的标度关系进行了分析研究。对于含盐溶液，我们发现单价盐会降低线团-液滴相变的强度，并使文该相变向高温移动，而高价盐会使伸展链发生塌缩相变。