线性高分子链通过受限空间的动力学Monte Carlo研究

摘要

生物高分子链通过纳米小孔或纳米管道的现象在生物领域中广泛存在。高分子通过受限空间的动力学行为长期以来一直受到人们关注。对这一问题的研究不仅有利于更好地理解生命过程,而且对医学、物理学、化工以及生物科技也有重要的意义。随着纳米科技的发展,人们设计了各种纳米管道来研究高分子通过受限空间的动力学行为和规律,近年来人们在这一问题上做了大量的工作并获得了许多有意义的结果。本论文结合当前进展,对高分子链通过受限空间的动力学行为做了如下研究工作:
　　 (1)考虑到高分子链通过纳米小孔或管道是一个熵受限过程,我们用扫描法统计了简立方格子SAW链的构象数目。在误差范围内统计结果与完全计数结果以及解析理论给出的标度关系相一致。我们研究了高分子链通过小孔时构象数的变化。结果表明,在通过小孔时由于受到小孔的限制高分子构象数目减少,从而受到一个熵壁垒的影响。
　　 (2)用Monte Carlo方法模拟研究长度为n的多链体系中一条高分子链通过小孔的动力学过程,研究了弛豫时间τ1和穿透时间τ2随链节浓度C的变化。模拟结果显示:当浓度很小时,τ1∝C-1而τ2与浓度无关;当浓度比较高时,1τ∝ C-3同时τ2,∝nC-1.28。结果表明链之间的相互作用在链通过小孔的过程中起到重要的作用。从高分子链通过小孔的过程中高分子构象熵的变化可以定性解释上述模拟结果。
　　 (3)用键长涨落的高分子链模型研究了聚电解质链单链体系以及双链体系在外电场驱动下通过2D受限空间的动力学过程。整个过程用弛豫时间τapp,受限时间τtrap和穿透时间τtrans描述。对于单链体系,τapp,τtrap和τtrans都随着外加电压V的增大而减小,总时间τtotal与电压V之间存在幂次关系:τtotal∝V-γ。聚电解质迁移率μ随电压的变化存在一个转变电压Vc,当V＜Vc时迁移率随电压的增大而增大,当V＞Vc时迁移率达到饱和随电压的变化保持恒定,这与实验得到的结论相一致。在一定电压下τapp,τtrap随链长n的增大而减小,同时τtrans随链长的增大而增大,τtotal随链长的变化存在一个转变点nc。当n＜nc时τtotal随链长的增大而减小,长链有比较大的迁移率,当n＞nc时τtotal随链长的增大而增大,短链有比较大的迁移率。Nc随着电压减小越来越大。模拟结果与目前已有的结论相一致。对于双链体系,模拟结果显示短链总是比长链更容易通过受限管道。

目录

文摘

英文文摘

第一章 文献综述

1.1 引言

1.2 实验背景

1.2.1 高分子通过1D受限空间

1.2.2 高分子通过2D受限空间

1.3 理论模型

1.3.1 穿透时间τtrans的计算

1.3.2 高分子通过受限空间流密度计算

1.4 计算机模拟

1.4.1 高分子链通过1D纳米管道的模拟

1.4.2 高分子链通过2D受限空间的模拟

1.5 本论文工作

参考文献

第二章 线性高分子链的构象熵统计

2.1 高分子链简立方格子模型

2.2 构象熵统计方法-扫描法

2.3 高分子链的构象熵统计

2.3.1 统计结果与完全计数结果及标度关系的对比

2.3.2 高分子通过-小孔时构象熵的变化

2.4 小结

参考文献

第三章 高分子链通过小孔的动力学Monte Carlo研究

3.1 引言

3.2 模型及模拟方法

3.3 模拟结果

3.4 结果讨论

3.5 小结

参考文献

第四章 高分子链通过二维受限空间的动力学Monte Carlo研究

4.1 引言

4.2 模型及模拟方法

4.3 单链体系模拟结果及讨论

4.3.1 外加电压对过程的影响

4.3.2 高分子链长对过程的影响

4.4 双链体系模拟结果

4.5 小结

参考文献

附录:作者已发表和待发表的论文目录

致谢